摘要
眾所周知充蓝，細菌通常存在于自然形成的多物種生物膜中戚扳。在這些生物膜中，物種間的相互作用似乎在生態(tài)過程中扮演著重要的角色棵里。對于這些多物種生物膜中物種間相互作用對基因表達的影響义黎，人們知之甚少禾进。本研究對逆轉錄黃單胞菌轉錄組在單種生物膜、雙種和四種菌群中與根嗜寡養(yǎng)單胞菌廉涕、氧化單胞菌和溶淀粉酶Paenibacillus amylolyticus的基因表達進行了比較分析泻云。研究結果揭示了多物種生物膜復雜的相互作用模式。許多受調控的功能與外部環(huán)境的相互作用有關狐蜕，并提示在與其他物種共存時具有較高的表型可塑性宠纯。此外，芳香族和支鏈氨基酸生物合成相關基因表達的變化表明层释，當這四種生物同時存在于一個生物膜中時婆瓜，營養(yǎng)互食是觀察到的協同生物膜產生的促進因素。
前言
自然生物膜可容納多個物種贡羔，而這些物種之間的相互作用對形成動態(tài)群落至關重要廉白。在此之前，我們展示了四種土壤分離的多物種生物膜之間的協同作用乖寒，結果與單種生物膜相比猴蹂，細胞數量和生物膜的形成都沒有增加(Ren et al.， 2015)楣嘁。一個強大的生物膜黃單胞菌,加上Stenotrophomonas rhizophila,小細菌屬葡萄糖酸和Paenibacillus amylolyticus盡管他們無能的單一物種生物膜的形成,其他三個菌株是必不可少的強大的協同作用,使這個財團強大的模型為研究multispecies生物膜的相互作用磅轻。
這里，我們比較分析了黃單胞在單物種逐虚、雙物種聋溜、四物種生物膜下的基因表達，利用宏轉錄組的技術發(fā)掘在種間相互作用顯著影響的基因表達叭爱。
結果
轉錄組文庫由X.的單種撮躁、雙種和四種生物膜(分別為3種、3種和5種復制)與根霉涤伐、氧化木霉和淀粉酶(補充材料和方法)聯合構建馒胆。總共有125Mb的轉錄本被映射到X. retroflexus基因組的編碼序列凝果，樣本量在3.16到17.38Mb之間(補充表S1和S2)。確保統計分析是基于一個足夠的信號,上面千最豐富的基因,一個映射的至少400記錄,測試覆蓋率(?8.10倍)睦尽。約84%的蛋白編碼轉錄組的總堿基對的X.逆轉錄酶映射到這1000個基因器净。與X. retroflexus相比，根霉和oxydans的蛋白編碼轉錄本只占總metatranscriptome的一小部分当凡。根瘤菌=10.5±0.6%山害，平均纠俭。而在雙物種生物膜樣品中，P.淀粉酶轉錄產物占主導地位(meanP浪慌。淀粉酶=68.0±12.4%(圖1a)冤荆。當這四個物種結合在一起時，根霉和氧化木霉的蛋白質編碼轉錄本的比例在整個跖骨轉錄組中所占的比例权纤。根瘤菌=10.5±0.6%钓简，平均。而在雙物種生物膜樣品中汹想，P.淀粉酶轉錄產物占主導地位(meanP外邓。淀粉酶=68.0±12.4%(圖1a)。當這四種植物結合在一起時P古掏。amylolyticus transcriptsdecreased (meanP损话。amylolyticus = 52.0±4.8%)和生物膜的總量顯著增加(圖1 a和b)。調查x retroflexus的基因表達,五個復制四個物種生物膜和三個復制的姊妹種生物膜與p amylolyticus創(chuàng)建兩個不同的集群在主坐標分析(PCoA)之間的Bray-Curtis不同樣品(圖1 c)槽唾。這些強調了一個非常一致和獨特的表達譜的多物種生物膜丧枪。
當將單物種與雙物種和四物種生物膜進行比較時，大約158個基因在至少八倍的表達變化下受到了顯著調節(jié)（補充材料和方法）永高。 這些基因的倍數變化顯示在圖2a中隧土，并支持來自PCoA的觀察。 許多上調的基因從解淀粉假單胞菌雙物種生物膜逐漸增加到四物種生物膜命爬，這種模式似乎與第一個主要坐標高度相關（圖1c和2a）曹傀。 共有141個基因在四種生物膜中差異表達，其中有52個基因對該生物膜具有特異性（四種生物中的倍數變化為48饲宛，雙物種生物膜中的倍數變化為o2）皆愉。 在這52個中，只有4個上調，而48個下調幕庐。
為了全面了解四種生物膜中功能的變化敞恋，將141個響應基因標注到eggNOG官能團上丽啡，圖2b說明了類別中的分布（補充表S3； Powell等硬猫，2014）碌上。 在注釋為“氨基”的12個基因中酸代謝和運輸”倚评，其中兩個專門與支鏈氨基酸合成有關浦徊，另外兩個與色氨酸合成有關馏予。 ilvA（蘇氨酸脫氨酶）的下調和ilvE（支鏈氨基酸氨基轉移酶）的上調表明，α-酮丁酸的產生減少盔性，異亮氨酸的產生減少霞丧，并且當所有四個物種都存在時，轉移到纈氨酸和亮氨酸合成的途徑（圖2c） 冕香； Levinthal等蛹尝，1973）。
Chorismate是芳香族氨基酸的常見前體悉尾。trpE（鄰氨基苯甲酸合酶I）和trpB（色氨酸合酶β鏈）的下調表明突那，色氨酸途徑的優(yōu)先級較低（圖2c）。 與色氨酸分解代謝有關的基因（kynU犬尿氨酸酶）的獨特下調進一步支持了這種優(yōu)先排序构眯。 eggNOG功能類別中的其余七個基因被標注為模棱兩可的功能或被證明難以解釋（補充表S3）愕难。
調節(jié)了十個編碼轉錄因子的基因，兩個趨化性基因惫霸，與細胞膜和細胞壁相關的基因猫缭，21個轉運蛋白，外排泵和信號轉導功能壹店，表明對環(huán)境變化具有積極反應（Phelan等猜丹，2011）。
討論
這項研究比較了在單菌硅卢，雙菌和四菌生物膜中與S. rhizophila射窒，M結合生長的X. retroflexus的轉錄譜。 oxydans和解淀粉假單胞菌将塑。 當參與四個物種的生物膜時脉顿，出現了反屈線蟲的獨特表達模式，這與三種菌株單獨觀察到的變化的總和不同抬旺。 這表明復雜的物種間相互作用在全球基因表達中引起獨特而一致的變化弊予，反映了這種多物種群落的新興行為。
與其他雙物種生物膜相比开财，解淀粉假單胞菌在逆反射小球藻中誘導了最大的表達反應汉柒，并占總蛋白編碼轉錄本的較大部分。即使在雙物種培養(yǎng)中由解淀粉假單胞菌誘導的基因在四物種生物膜中始終上調责鳍，但是在雙物種培養(yǎng)中較高的生物膜產量方面未觀察到協同作用碾褂。
在這四種生物膜中共調節(jié)了141個基因，其中許多功能可能與與外部環(huán)境的相互作用有關历葛，并表明對其他物種的存在具有很高的表型可塑性（Frias-Lopez和Duran-Pinedo 2012正塌； Sztajer等嘀略，2014）。 僅在四種生物膜中調控至少52個基因乓诽，它們代表著各種各樣的功能帜羊。 多數（48）受到獨特的下調，這可能意味著多物種生物膜中的生活方式使X. retroflexus降低了對單一養(yǎng)殖中至關重要的功能的優(yōu)先級鸠天。 該假設得到昂貴氨基酸的生物合成中觀察到的基因調控的支持讼育，并表明多物種生物膜中的同居者可能共享能量消耗途徑的產物。 這種分工已顯示出總體上更高的適應性（Schink稠集，2002奶段； Poltak和Cooper，2011剥纷； Pande等人痹籍，2014，2015）晦鞋。
總體而言蹲缠，結果表明，對多種生物膜中種間相互作用的基因表達反應非常復雜鳖宾。 對代謝組和基因敲除實驗的進一步分析吼砂，尤其是針對氨基酸生物合成途徑的分析，將導致人們進一步了解所觀察到的協同生物膜產生的分子機制（Ren等人鼎文，2015）渔肩。
