Бактериальный c

Природная микробиология (2023)Процитировать эту статью

16 Альтметрика

Подробности о метриках

Большинство микробов развиваются быстрее, чем их хозяева, и поэтому должны стимулировать эволюцию взаимодействий хозяин-микроб. Однако относительно мало известно о характеристиках, определяющих адаптивный путь микробов к ассоциации с хозяином. Здесь мы определили микробные черты, которые опосредуют адаптацию к хозяевам, путем экспериментальной эволюции свободноживущей бактерии Pseudomonas lurida с нематодой Caenorhabditis elegans в качестве хозяина. После десяти пассажей мы неоднократно наблюдали эволюцию полезных бактерий-хозяев-специалистов, причем улучшение персистенции у нематод было связано с увеличением образования биопленок. Полногеномное секвенирование выявило мутации, которые равномерно активируют бактериальный вторичный мессенджер, циклический дигуанилат (c-di-GMP). Впоследствии мы создали мутанты с повышенным уровнем c-di-GMP в различных штаммах и видах Pseudomonas, что последовательно увеличивало ассоциацию с хозяином. Сравнение геномов псевдомонад из различных сред показало, что c-di-GMP лежит в основе адаптации к множеству хозяев, от растений до человека. Это исследование показывает, что c-di-GMP имеет основополагающее значение для установления ассоциации с хозяином.

Связанные с хозяином микроорганизмы оказывают важное влияние на физиологическое функционирование и приспособленность своих растений и животных-хозяев1,2,3. Эти взаимодействия хозяина и микробиоты часто изучаются с использованием ориентированного на хозяина подхода с акцентом на опосредованные микробиотой функции хозяина. Эта точка зрения игнорирует тот важный факт, что большинство микробов развиваются быстрее, чем их хозяева, из-за более короткого времени генерации и более высокой скорости мутаций, и, таким образом, улучшение приспособленности микробов может непропорционально стимулировать ассоциации4. Важным шагом в эволюции ассоциации хозяин-микроб является возникновение более специализированного взаимодействия, позволяющего свободноживущим бактериям надежно проникать в хозяина, персистировать и, наконец, высвобождаться в окружающую среду для колонизации новых хозяев (рис. 1а)4. . Пока мало что известно о свойствах и молекулярных процессах, которые определяют, как бактерии адаптируются к такой ассоциации с хозяином.

а) Микробы, ассоциированные с хозяином, переходят из фазы свободного существования в ассоциацию с хозяином, причем последняя включает проникновение в хозяина, сохранение и высвобождение. Шесть популяций P. lurida пассировали десять раз на этих стадиях с хозяином C. elegans (EVOhost) или без хозяина в качестве контроля (EVOctrl). b, Адаптированные к хозяину бактериальные популяции значительно увеличили приспособленность (выраженную как КОЕ на червя) по сравнению с предком (двусторонние t-тесты и апостериорные сравнения Тьюки с поправкой FDR, 6 повторов на обработку). в) Развившиеся бактерии остаются полезными для хозяина, что определяется ростом популяции нематод (двусторонний t-критерий, 6 повторов на обработку). d, Морщинистый морфотип колонии возник только во время адаптации хозяина и доминирует среди червей (сравнение численности морфотипов в ходе обработки: обобщенные линейные модели и апостериорный тест Тьюки с коррекцией FDR, 6 повторений на обработку). e, Развитые бактерии-специалисты-хозяева (помеченные красным флуоресцентным dTomato) колонизируют кишечник червя (автофлуоресцентные везикулы в кишечных клетках нематод, окрашенные в голубой цвет). Масштабная линейка, 10 мкм. f, PCA ключевых признаков жизненного цикла, связанного с хозяином (а), демонстрирует отчетливый профиль для эволюционировавших морщинистых специалистов-хозяев по сравнению с предковыми бактериями (см. Дополнительную таблицу 5 для измерения отдельных признаков). б–г, коробчатые диаграммы показывают медиану (центральную линию), верхний и нижний квартиль (границы прямоугольника) и межквартильный размах (усы).

Мы изучали эволюционный переход от свободноживущей среды к ассоциации с хозяином посредством контролируемой экспериментальной эволюции, используя в качестве модели бактерию Pseudomonas lurida и нематод-хозяина Caenorhabditis elegans. Эта бактерия иногда обнаруживается в естественной микробиоте C. elegans5,6. В лабораторных условиях присутствие P. lurida связано с повышенными темпами роста популяции C. elegans и может обеспечить защиту от патогенов, однако и хозяин, и бактерия могут размножаться друг без друга и, таким образом, не зависеть друг от друга5,7,8 . Для отбора адаптированных к хозяину бактерий мы последовательно пассировали 6 популяций P. lurida с фазой, ассоциированной с хозяином, или без нее (рис. 1а; EVOhost или EVOctrl соответственно). Все популяции были привиты от одного и того же клонального предка. После 10 пассажей через хозяев бактерии достигали в среднем в 5–10 раз более высокой бактериальной нагрузки в хозяине, чем их предок, значительное изменение не наблюдалось для контроля, который развивался без воздействия хозяев, но в остальном имел идентичные условия (рис. 1b и расширенное описание). Данные рис. 1). Повышенная бактериальная приспособленность не обошлась хозяину дорого, поскольку рост популяции нематод (используемый в качестве показателя приспособленности нематод5) существенно не менялся, а скорее увеличивался в присутствии адаптированных бактерий (рис. 1c).