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作者：张耀予，南京农业大学硕士在读，主要研究青枯菌多态性与动态组控。 周刊主要展示LorMe团队成员优秀周报，每周定期为您奉上学术盛宴！本期周刊为您介绍大肠杆菌对于由趋化性介导的运动和增殖的权衡关系。原文2020年发表在Proc Natl Acad Sci U S A.上。 微生物公司新一季度资源调配会议如期开展，因疫情影响这次它们选择了线上会议。各机构部门负责人为了争夺稀缺资源各显神通，而公司董事会却要在各部门中做出取舍，从而实现投资收益最大化。它们会选择投资与增殖没有直接关系的细胞功能，还是与增殖直接相关的细胞功能呢？最近帝国理工学院的Robert G. Endres博士和他的同事们偷偷参加了微生物公司的会议，现在有请他们来讲述，在资源匮乏情况下微生物公司的高层们如何调配资源来协调复杂、高成本的运动性和趋化性与其生长速率间的关系。 科学问题： 细菌如何权衡运动和增殖之间的关系？ 设计思路： 为解答该科学问题，作者利用大肠杆菌模式菌株MG1655（WT）及其与趋化性和运动性相关的突变株：ΔflhC（敲除运动基因）、Δfli（敲除鞭毛基因）、ΔmotAB（具有鞭毛但不能运动）、Δtar（无趋化性受体）、ΔcheY（敲除趋化性调节因子）开展以下实验： 将野生型分别与突变株在不同营养条件下（1）摇动（无趋化梯度，两种菌混合均匀）；（2）静置（无趋化梯度，两种菌不混合）；（3）静置并添加酪蛋白小球（有趋化梯度，两种菌不混合）共培养。并以野生型与突变株的相对丰度代表该基因的耗能与获得养分之间的权衡，由此比较在不同情况下大肠杆菌运动所需的能量与趋化性所感知到的潜在收益之间的关系。最终证明细菌能够依据趋化性所感知到的潜在收益，预先投资于运动行为。   一、大肠杆菌的运动资源分配取决于生长速率 图1 大肠杆菌的运动资源分配取决于生长速率 二、趋化性使运动成为细菌在竞争中的优势行为 为进一步探究细菌运动所需的成本与外界营养水平的关系，作者将WT分别与运动性相关突变体ΔflhC（无运动基因）/ΔfliC（无鞭毛基因）/ΔmotAB（有鞭毛但不可运动）及趋化性相关突变体ΔcheY（无趋化性）在不同营养培养基中以不同的振荡程度共培养，以此评估它们的相对竞争能力。 结果表明，所有情况下运动相关突变株数量均超过WT，且随着养分的降低和培养基振荡程度的增加，WT的比例不断下降（图2A）；对于ΔcheY而言，WT的菌株数量更多（图2B），同时WT的竞争优势与振荡程度呈负相关（图2C）。这意味着营养贫瘠时，运动的相对繁殖适应性成本较高，运动性细菌竞争力较低，而趋化性可以帮助运动型细菌获得生存优势。 图2 外界营养水平与自身特性对菌株竞争能力的影响 三、趋化性提供的竞争优势与营养梯度有关 为解释趋化性可以帮助运动型细菌获得生存优势的原因，作者将含有不同浓度营养的琼脂球放入静置的实验体系。结果表明，在营养贫瘠且浓度差异较大的情况下，WT比ΔflhC（无运动性）或ΔcheY（无趋化性）的生长情况更好，而在营养充足且浓度差异较小的情况下，实验结果与此相反（图3A-B）。说明营养贫瘠且浓度差异较大时细菌的趋化性收益高于其运动所需的成本，趋化性细菌更具有生存优势。 随后作者将静置无营养梯度的实验体系用重矿物油密封防止氧气进入，避免驱氧性对结果的干扰并将重力纳入实验考虑范围内时，对体系的上、中、下三个部分进行细菌组成分析，试验结果表明，WT数量均大于趋化性基因突变株。营养贫瘠时，上层WT数量更大（图3C）。而对不同营养条件下，全时期WT与ΔcheY竞争生长的组成情况进行监测，结果显示，WT对运动的投资与趋化性的收益呈正相关关系，营养充足情况下趋化性没有竞争优势（图3D-E）。 图3 趋化性使运动成为细菌在竞争中的优势行为 论文信息 原名：Growth-rate dependent resource investment in bacterial motile behavior quantitatively follows potential benefit of chemotaxis 译名：趋化性的预期收益：细菌运动性获得资源分配的筹码 期刊：Proc Natl Acad Sci U S A. IF：9.58 发表时间：2020.01 通讯作者：Robert G.Endres 通讯单位：伦敦帝国理工学院 |
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