Journal: Faculty Reviews
Published: 14 Dec 2020
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https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7886066/
Faculty Reviews：
属于Faculty Opinions(原F1000Research）。
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摘要
地球上几乎每一个生态系统都充满了微生物。
以还原论的观点来看，许多细菌形成成对的相互作用。但是随着视野的扩大，邻近的有机体和非生物环境在形成物种之间的相互作用中扮演了关键的角色。
过去几年对于细菌之间孤立的成对的相互作用已经建立了知识基础，但现在这个领域正在朝着理解共生细菌和自然环境如何影响这些相互作用的方向发展。
使用自底向上的方法，将群落拼凑在一起；以及自顶向下的方法，解构群落，提供了不同物种如何相互作用的视角。
此综述强调了研究如何整合更复杂的群落模拟自然环境，以及组学是如何作为一种自上而下的方法来识别之前未知的种间细菌相互作用，以及这类研究对微生物生态学的挑战。
迄今为止，大多数种间研究都是在缺乏自然环境的实验室条件下进行的。这些研究有助于建立种间相互作用的机制和细菌相互作用的基本能力。
最近的工作旨在通过更接近模拟自然环境的条件来证实和扩展这些结果。利用这些实验系统，研究人员正在重新思考如下的一般生态问题:
周围的群落或物理环境(如营养物质、空间结构)如何影响两个物种之间的相互作用?
实验应该在什么样的空间尺度上进行?
细菌之间要有多近才能相互作用?
组学方法能告诉我们哪些细菌在相互作用吗?
模仿大自然的复杂性
在对不同物种如何相互作用有了相当深入的了解之后，下一个要问的问题是这些相互作用在原生环境中是如何受到影响的。为了更接近地模拟自然栖息地，科学家们加入了自然共生的细菌，并使用了类似细菌原生栖息地的介质。结合这些技术已经表明，周围的“谁”和“什么”都可以影响细菌关系的程度。
到处都是细菌
迄今为止，大多数的群落整合方法都依赖于测序研究，以识别常见的共生生物，然后有选择地添加它们，形成一个更小的群落，称为“microcosm”。
自底向上的方法是将微生物群落组合在一起，或是使用膜分隔或透析管的系统，这样就可以利用天然菌群进行实验。物种越多，遗传物质水平转移、空间组织改变、整体栖息地改变，甚至进化轨迹改变的可能性就越大。
此外，不仅细菌种类增加，而且它们携带的噬菌体和它们产生的膜泡也被增加。这些变化都可能影响交互作用，这使得研究人员开始研究配对交互是否以及何时可以扩展。
微观实验发现，个体配对的交互作用在整个复杂群落中通常是一致的，这表明逐渐合并更多物种的自下而上的方法在很大程度上(但不总是)是有效的。
三种生物的实验揭示了为什么有些交互作用是不可扩展的。在两物种群落中添加第三种生物表明1)两两相互作用的强度可以被影响,2)这些交互作用可以被修改形成一个多方向的关系，3)环境变化间接改变细菌的行为或物种丰度。
因为互作的存在和强度可以对群落产生广泛的影响，使用复杂群落的研究提供了对生态系统中互作重要性的洞察力。这并不意味着两两相互作用的研究就不那么有价值了，因为它们可以让我们了解细菌相互作用的基本能力。从两两互动中获得的知识可以在自下而上的研究中加以利用，以探讨在复杂群落中的角色。反过来，越来越多地使用更复杂的研究也促进了我们对细菌相互作用网络的认识，从而为在更小尺度上进行研究提供了新的研究途径。
自上而下和自下而上的研究策略
环境影响细菌的相互作用
环境因素是需要考虑的重要因素，因为营养水平和所含营养物质的类型在相互作用中都起着很大的作用。
许多研究发现在实验中使用的培养基会影响相互作用，这强调了非生物环境的重要性。
转录组研究表明，细菌在实验室中的行为与自然原位环境中的行为并不一致。
无论相互作用是合作的还是竞争的，大多数已知的相互作用形式都是通过细菌对环境进行化学修饰而介导的，并且依赖于实验中所使用的环境。
栖息地改造是一个不断发展的领域
在细菌生态学中，人们对一个群落的环境越来越感兴趣。随着对交叉喂养(cross-feeding)的长期研究，pH值越来越受到人们的关注，越来越多的研究发现它在群落组成和稳定性方面起着重要作用。代谢物的使用和pH值范围正日益成为相互作用的可靠预测因子。
喂养你的邻居
营养交叉喂养是指一种细菌的分泌产物被另一种细菌分解代谢。这是一种广泛存在的现象，它可以改变群落组成、结构、进化、毒力和抗生素敏感性。由于交叉喂养通常满足一种代谢需求，基因组数据越来越多地被用于确定一个物种的基本代谢需求和预测相互作用。预测模型面临的一个问题是缺乏关于群落中代谢物偏好和营养物质的层次使用的知识。
低营养可以促进物种间的合作交叉取食，从而导致群落的稳定。添加营养物质后，一些合作关系消失，群落组成根据适合度水平和环境改变(即pH值)发生变化。在这些情况下，很可能并非所有的交叉喂养相互作用都消失了，除非所有的代谢需求都得到了缓解，或者生物体在添加营养物质时改变了它们的代谢偏好。
就是这种实验
pH值的影响
pH值变化的作用是物种间相互作用研究中的一个突出课题。群落pH值变化的总和决定了群落成员的命运。例如，细菌的pH值相反的变化可以被认为是一种积极的相互作用，因为由此产生的pH稳定促进了群落的协同作用，而瞬时入侵者的pH值操纵可以影响竞争的两成员系统的稳定状态。环境的pH值不仅会影响细菌，也会影响化学物质。目前还不清楚是化学物质的变化影响了化学-微生物的相互作用，还是这种相互作用仅仅是细菌行为变化的结果。
在实验室之外，pH值已经被证明是自然土壤样品中群落组成和多样性的主要驱动因素。对pH的强大作用有多种解释，其中一种是它影响微生物呼吸的能量产量，导致pH对群落成员数量的限制。利用一个物种的代谢特性、pH值偏好和环境改变的强度，种间相互作用、群落成员和群落稳定性已被证明是可预测的。下一个问题是，其他因素，如氧、代谢产物浓度，或广泛的环境参数，如土壤群落中的降水/湿度，是否可以很容易地作为群落组成和物种间相互作用的可预测参数。此外，在未来的研究中，这些参数的预测尺度应得到充分考虑，因为在时空景观中，相互作用可能会发生变化。
空间结构
一个长期存在的问题是细菌之间要多近才能相互作用。
文献显示与邻居的互动发生在短时间内。某些类型的相互作用是亲密的，需要细胞间的接触，而扩散的化学物质范围更大，根据其理化性质(如挥发性)而增加。
远程相互作用的一种可能机制是细胞外电子转移，细菌可以通过表面附着的菌毛或环境导电材料提供或接受来自环境的电子，距离可达1厘米。细胞外电子传递可能是一种新的种间相互作用机制。
利用特定类型相互作用的距离要求所获得的信息，可以通过知道两个物种之间的平均距离来推测物种间相互作用的机制。也有可能是多个相互作用的物种的连锁反应可以支配空间组织。由于不同类型的相互作用发生在不同的尺度和距离，经常需要使用多种技术来研究种间的相互作用。例如，微生物菌落的微尺度生物打印结果表明，物种之间的代谢物共享是依赖于距离的，在代谢物扩散的路径附近或路径上增加竞争对手可以抑制代谢物交叉喂养。微位点定殖与转录组学变化相关的扰动已被用于识别在促进生物量扩张的空间组织中发生的截然不同的竞争和合作相互作用。利用电子地图和荧光透射电子显微镜证实，Clostridium ljungdahlii和Clostridium acetobutylicum梭状芽孢杆菌在很近的位置可以发生涉及细胞壁融合的相互作用，允许大规模的蛋白质和RNA交换。
在一个系统中仅仅增加一个物种或改变环境(如氧气)可能会显著改变群落的空间结构，这可能是适应新开发的生态位的结果。这些研究表明，模型系统可以通过将实验室中的群落组织与现实世界的群落进行比较的迭代过程来改进。成像技术的进步，特别是结合显微镜的组合标记荧光原位杂交技术，为深入了解自然群落安排提供了帮助。空间生态学的技术缺口之一是将视觉观察与机制联系起来。可以用来解决这一知识鸿沟的两个新途径是拉曼光谱和成像质谱，它们允许细胞可视化和相应的高分辨率化学形貌评估。此外，下一代方法已被提出，在终点分析(如组学)之前，将表现型探测和观察结合起来，以允许对一个群落的空间组织进行机械式的洞见。
组学的持续崛起
组学技术在理解细菌相互作用方面发挥了关键作用，随着技术的不断改进和成本的降低，预计这些技术将发挥更显著的作用。最常用的组学方法是评估谁在群体中存在(rRNA基因扩增子测序、宏基因组和宏转录组)，他们可以做什么(宏基因组组学)，他们正在做什么(宏转录组、宏蛋白质组和代谢组)。除了这些技术，转座子插入测序(transposon-insertion sequencing, Tn-seq)已被证明是一种研究物种间相互作用的高通量方法。当对伤口和口腔群落进行研究时，Tn-seq发现当一个物种与另一个物种共培养时，以前的非必要基因变得必要。
“组学”在发生多种互动的复杂群落尤为有用。组学是一种自上而下的方法，通过网络分析来推断物种之间的相互作用。网络方法依赖于细菌物种共存的概率，通过正相关推断合作，通过负相关推断竞争。网络分析也在扩展，包括代谢物的运输和利用或多个物种的基因表达。虽然这些方法被证明是非常有用的,需要更多的工作来解决数据分析工具之间的不同精度,如特别复杂的互作用(如捕食者与猎物),和对群落产生强烈影响的低丰度物种。由于网络相互作用的相关性，从协方差推断群落相互作用的复杂性和非线性动力学应该以怀疑的态度看待，直到结合经验数据来证明相互作用(即共定殖、稳定同位素标记和共培养试验)。最近的一些论文将已知的与物种共生的代谢物运输、使用和生产整合到一个网络中，并发现了已知的和尚未证实的相互作用。尽管人们对解释新的网络数据持怀疑态度，微生物生态学分析技术也有必要进行必要的改进，但网络方法使科学家能够更好地理解复杂的多物种群落。
更多情况下研究使用的是多组学方法，包括细菌丰度、转录组学、蛋白质组学或代谢组学等因素的数据，以阐明多物种相互作用网络和相互作用机制。例如，宏基因组学、转录组学和靶向代谢物分析导致双酚A环境生物降解过程中涉及的种间相互作用的鉴定。多组学方法和实验验证的结合为下一代物种间相互作用的发现铺平了道路。
用于推断细菌相互作用的网络分析方法。根据分析，(A)一种或(B)多种类型的节点可能合并(如细菌、代谢物、基因等)。边表示每个节点之间的相关关系。(A)通常使用阈值，只显示显著的共生现象以减少复杂性。另外，(B)显示了所有边缘，但在网络更复杂的情况下，图像变得难以解释。(C)为了说明从网络中获得的复杂性和信息，Sung等人给出了物种丰度、代谢物转运的结果。该图结合了已知的降解反应和共生微生物的利用，以确定在白蚁肠道中消化木质纤维素时物种间的相互作用
讨论
与生物科学的其他领域类似，用实验来模拟自然世界在微生物生态学中也越来越有吸引力。模拟复杂细菌栖息地的方法表明，共生菌和环境因素影响细菌相互作用;因此，实验数据的解释受到研究设计的限制。通过研究更复杂的群落，更多的物种间的相互作用被包括在内，这使得理清不同物种的行为和反应网络变得困难。研究中使用的尺度决定了群落、非生物环境以及可以提出的问题。一些研究表明自底向上的方法对回答许多问题很有用。然而它们有一些局限性。因此在假设跨尺度的两两互动发生之前，需要进行群落研究。反过来，依赖组学的自上而下的方法缺乏相互作用的结论性证据，必须通过小规模研究进行验证。同样，环境系统可以影响相互作用;因此，新的模型系统需要被验证，旧的模型系统需要在使用时被合理化。在群落水平上对细菌相互作用的调查突出了合作的重要性以及环境营养物质在影响相互作用和群落稳定性方面的作用。关于竞争的研究更多，但希望这些最新的发现能激发人们对物种间合作机制的更多兴趣。此外，随着更相关和更复杂的实验的进行，新的问题出现了，包括:
代谢物浓度或氧水平可以作为物种间相互作用的可预测参数吗?
在一个群落中，有哪些不同的生态位，哪些互作控制着生态位的建立?
这些问题中可能在组学水平的数据分析和精心设计的实验系统的帮助下得到回答。一个重大的挑战仍然是追踪相互作用的起源，特别是化学特征。代谢组学的发展为研究环境改变和交叉喂养提供了更先进、更全面的方法，包括质谱成像和拉曼方法，这些方法有可能开始指示代谢物的起源。来自多个组学数据集的数据插入为已知相互作用提供了越来越细粒度的视角，并为进一步研究确定未知的群落物种间相互作用。在这个新的前沿领域，适当的数据使用是至关重要的，分析常常需要主题专家、建模者、生物信息学家和计算机科学家之间的协作。组学数据不仅可以被原始实验室利用，也可以被其他实验室利用，但自2016年以来，每5个宏基因组研究中就有1个没有存入存储库。缺乏开放获取组学数据阻碍了研究的进展。
