Nature:顛覆傳統觀念!病毒選擇搭乘而不是殺死細菌群體!

2020-12-05 生物谷

2016年3月18日/生物谷BIOON/--在一項新的研究中，來自荷蘭、美國和巴西的研究人員在珊瑚礁附近茁壯成長的微生物中發現病毒和細菌之間的相互作用顛覆傳統觀念。隨著細菌密度在一種生態系統中增加，感染這些細菌的病毒數量也隨之增加。人們普遍認為這種不斷增加的病毒群體接著會殺死越來越多的細菌，從而限制細菌群體規模。這是一種被稱作「殺死獲勝者（kill-the-winner）」的模型---勝利者是這些茁壯生長的細菌細胞，殺手是感染它們的病毒（大多數殺菌病毒被稱作噬菌體）。

然而，在這項新的研究中，研究人員研究了珊瑚礁附近的病毒-宿主之間的動態行為，研究結果提示著在某些條件下，病毒能夠改變它們的感染策略。當潛在的宿主細菌變得越來越多時，一些病毒放棄快速增殖，相反選擇平靜地停留在它們的宿主內，因此降低它們的病毒數量。研究人員將這種備擇模型稱為「搭乘勝利者（piggyback-the-winner）」，而且它可能對基於噬菌體的藥物開發和面對促進細菌繁榮生長的環境擾亂時的生態系統復原產生影響。相關研究結果於2016年3月16日在線發表在Nature期刊上，論文標題為「Lytic to temperate switching of viral communities」。

論文第一作者、美國聖地牙哥州立大學病毒生態學家Ben Knowles說，「殺死勝利者似乎說得通。它背後的邏輯已存在一段時間了。這是一種非常有吸引人的推理。」

Knowles、聖地牙哥州立大學博士後研究員Cynthia Silveira與一個國際合作小組決定測試這種新模型。他們收集太平洋和大西洋珊瑚礁附近富含細菌的海水樣品。他們然後利用顯微成像和基因組技術分析了這些樣品中的細菌和感染它們的病毒的豐度和性質。

基於殺死勝利者模型，研究人員將期待在高細菌密度和生長率的樣品中會在每個細菌發現更多的病毒。然而，Knowles和他的團隊發現完全相反的情形：隨著細菌豐度增加，病毒與細菌的比率顯著下降。

接下來，Knowles和他的團隊開展一項實驗：他們在來自聖地牙哥教士灣和原始珊瑚礁位點的海水中培養細菌和病毒多天，在其期間，他們監控病毒和細菌豐度。這些結果與他們的現場取樣相匹配：當細菌群體繁榮時，病毒數量保持相對較低的水平。

為什麼這些病毒不利用這個不斷增加的細菌群體從而感染它們並且快速增殖？為什麼它們不殺死這些勝利者？為了進一步探究這種現象，研究人員進行宏基因組分析以便確定樣品中的這些病毒是表現出致命的掠奪特徵，還是表現出非掠奪性生活方式特徵。有趣的是，他們發現在含有更高細菌數量的樣品中，病毒群體變得並不那麼致命。

更多的病毒並不增殖，也不殺死它們不斷增加的細菌宿主群體，而是將它們自己整合進它們的宿主內。這些病毒更加緩慢地增殖，避免與其他的病毒競爭，而且也避免接觸宿主自身的免疫防禦。研究人員說，在細菌快速生長期間，這種搭乘勝利者模型要比殺死勝利者模型更好地解釋了病毒-宿主之間的動態行為。

Knowles說，「當你有快速生長的宿主，如果你是病毒，那麼你從整合中獲利更多。它就是一種聰明的寄生行為。」

更好地理解這些動態行為有望改善人類健康。比如，特定噬菌體有望成為一種可能的療法用於治療諸如囊性纖維化之類的疾病，其中囊性纖維化是由常見的肺部細菌感染導致的。這一發現可能也有助於改善海洋生態學家對影響珊瑚礁健康的微生物力量的理解。（生物谷 Bioon.com）

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Lytic to temperate switching of viral communities

doi:10.1038/nature17193

B. Knowles, C. B. Silveira, B. A. Bailey, K. Barott, V. A. Cantu, A. G. Cobián-Güemes, F. H. Coutinho, E. A. Dinsdale, B. Felts, K. A. Furby, E. E. George, K. T. Green, G. B. Gregoracci, A. F. Haas, J. M. Haggerty, E. R. Hester, N. Hisakawa, L. W. Kelly, Y. W. Lim, M. Little, A. Luque, T. McDole-Somera, K. McNair, L. S. de Oliveira, S. D. Quistad, N. L. Robinett, E. Sala, P. Salamon, S. E. Sanchez, S. Sandin, G. G. Z. Silva, J. Smith, C. Sullivan, C. Thompson, M. J. A. Vermeij, M. Youle, C. Young, B. Zgliczynski, R. Brainard, R. A. Edwards, J. Nulton, F. Thompson & F. Rohwer

Microbial viruses can control host abundances via density-dependent lytic predator–prey dynamics. Less clear is how temperate viruses, which coexist and replicate with their host, influence microbial communities. Here we show that virus-like particles are relatively less abundant at high host densities. This suggests suppressed lysis where established models predict lytic dynamics are favoured. Meta-analysis of published viral and microbial densities showed that this trend was widespread in diverse ecosystems ranging from soil to freshwater to human lungs. Experimental manipulations showed viral densities more consistent with temperate than lytic life cycles at increasing microbial abundance. An analysis of 24 coral reef viromes showed a relative increase in the abundance of hallmark genes encoded by temperate viruses with increased microbial abundance. Based on these four lines of evidence, we propose the Piggyback-the-Winner model wherein temperate dynamics become increasingly important in ecosystems with high microbial densities; thus 『more microbes, fewer viruses』.

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