摘要
裂解性噬菌體和原生動(dòng)物捕食者是自然微生物群落中細(xì)菌死亡的主要原因，這也使得它們成為細(xì)菌病原體生物防治的潛在候選者。然而，關(guān)于噬菌體和原生動(dòng)物對(duì)水相和生物膜相細(xì)菌生物量動(dòng)態(tài)的相對(duì)影響知之甚少。在此，我們進(jìn)行了一項(xiàng)微觀世界實(shí)驗(yàn)，研究機(jī)會(huì)致病菌粘質(zhì)沙雷氏菌在長(zhǎng)達(dá)8周（約1300代）的時(shí)間內(nèi)暴露于顆粒取食的纖毛蟲(chóng)、表面取食的變形蟲(chóng)和裂解性噬菌體的情況下，細(xì)菌生物量的時(shí)間和空間動(dòng)態(tài)。我們發(fā)現(xiàn)，在開(kāi)放水體中，纖毛蟲(chóng)是減少細(xì)菌生物量最有效的敵害類(lèi)型，但在減少生物膜生物量方面效率最低。生物膜對(duì)食菌動(dòng)物具有相當(dāng)?shù)牡挚沽?，但變形蟲(chóng)對(duì)開(kāi)放水相和生物膜中的細(xì)菌生物量均具有顯著的長(zhǎng)期負(fù)面影響。噬菌體對(duì)開(kāi)放水相和生物膜中的細(xì)菌生物量?jī)H有輕微的長(zhǎng)期影響。然而，用祖先噬菌體和細(xì)菌進(jìn)行的獨(dú)立短期實(shí)驗(yàn)表明，噬菌體在最初24小時(shí)內(nèi)會(huì)急劇摧毀開(kāi)放水相中的細(xì)菌生物量。此后，細(xì)菌進(jìn)化出噬菌體抗性，這在很大程度上阻止了上行效應(yīng)。三種敵害類(lèi)型的組合在減少生物膜生物量方面最為有效，而在開(kāi)放水相中，纖毛蟲(chóng)主導(dǎo)了營(yíng)養(yǎng)效應(yīng)。我們的結(jié)果強(qiáng)調(diào)了敵害取食模式對(duì)決定細(xì)菌生物量空間分布和豐度的重要性。此外，敵害類(lèi)型是預(yù)測(cè)快速防御進(jìn)化是否能顯著影響細(xì)菌上行調(diào)控的關(guān)鍵預(yù)測(cè)因子。
引言
細(xì)菌群落受資源可用性（“上行控制”）和更高營(yíng)養(yǎng)級(jí)生物（“下行控制”）的調(diào)控。噬菌體和原生動(dòng)物是細(xì)菌死亡的兩個(gè)主要生物原因，盡管在特定的時(shí)間點(diǎn)和地點(diǎn)，一個(gè)或另一個(gè)敵害群體可能占主導(dǎo)地位。這使得噬菌體和原生動(dòng)物成為細(xì)菌病原體生物防治的潛在候選者。然而，關(guān)于噬菌體和原生動(dòng)物對(duì)水相和生物膜相細(xì)菌群落相對(duì)影響的研究尚少。
關(guān)于原生動(dòng)物捕食者和噬菌體在調(diào)節(jié)細(xì)菌豐度方面的相對(duì)影響已有許多研究，但這些研究的結(jié)果多種多樣：例如，對(duì)自然水生系統(tǒng)中病毒誘導(dǎo)死亡率的估計(jì)從20%到100%不等。其原因可能是大部分?jǐn)?shù)據(jù)來(lái)自野外（估計(jì)的生物量消耗常常與許多其他環(huán)境因素混淆，如溫度、資源可用性和光照），并且獵物的效應(yīng)大小通常是間接測(cè)量的。因此，也應(yīng)該通過(guò)在受控實(shí)驗(yàn)環(huán)境中直接測(cè)量生物量變化來(lái)研究噬菌體和原生動(dòng)物在控制細(xì)菌生物量方面的影響。
我們進(jìn)行了一項(xiàng)微觀世界實(shí)驗(yàn)，將機(jī)會(huì)致病菌粘質(zhì)沙雷氏菌暴露于裂解性噬菌體Semad11以及兩種典型的原生動(dòng)物捕食者：顆粒取食的纖毛蟲(chóng)嗜熱四膜蟲(chóng)和表面取食的變形蟲(chóng)卡氏棘阿米巴。為了研究原生動(dòng)物和噬菌體對(duì)水相和生物膜相細(xì)菌生物量的時(shí)間和空間動(dòng)態(tài)的影響，將細(xì)菌單獨(dú)培養(yǎng)，或與單一敵害或所有敵害一起在靜態(tài)微觀世界中培養(yǎng)，模擬淡水池塘環(huán)境，持續(xù)8周（約1300個(gè)細(xì)菌世代），期間每周測(cè)量自由水相和生物膜相的細(xì)菌生物量。同時(shí)，在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中跟蹤原生動(dòng)物捕食者的種群動(dòng)態(tài)。這種實(shí)驗(yàn)設(shè)置有許多優(yōu)點(diǎn)，包括直接測(cè)量細(xì)菌生物量，易于操縱環(huán)境變量（如營(yíng)養(yǎng)、溫度和光照），以及可以?xún)?chǔ)存和復(fù)活實(shí)驗(yàn)菌株，從而允許直接比較祖先和進(jìn)化后的菌株。這樣的微觀世界實(shí)驗(yàn)也允許大種群規(guī)模和世代數(shù)。
我們假設(shè)：（1）寄生性噬菌體最初在調(diào)節(jié)細(xì)菌豐度方面非常有效，而由于世代時(shí)間的差異，原生動(dòng)物的效應(yīng)增加較慢；（2）原生動(dòng)物不同的取食模式可以造成細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的空間差異：作為表面取食者，預(yù)期變形蟲(chóng)主要減少細(xì)菌生物膜，而顆粒取食的纖毛蟲(chóng)減少開(kāi)放水體的生物量；（3）預(yù)測(cè)噬菌體抗性的進(jìn)化會(huì)迅速減弱噬菌體對(duì)細(xì)菌的影響；（4）關(guān)于細(xì)菌-纖毛蟲(chóng)系統(tǒng)的理論和先前的實(shí)驗(yàn)工作表明，與細(xì)菌獵物相比，原生動(dòng)物捕食者的共同進(jìn)化能力有限。因此，我們預(yù)期細(xì)菌獵物防御進(jìn)化得更強(qiáng)，并且由原生動(dòng)物進(jìn)行的生物量調(diào)控將隨時(shí)間緩慢減弱；以及（5）預(yù)期所有敵害群體的組合效應(yīng)對(duì)細(xì)菌的影響最為顯著，因?yàn)檫@使得細(xì)菌獲得空間避難所的機(jī)會(huì)最少，并且如果防御是代價(jià)高昂且群體特異性的，也能更有效地阻止防御進(jìn)化。
我們的結(jié)果表明，敵害的取食模式影響細(xì)菌的空間分布和豐度。顆粒取食的纖毛蟲(chóng)是減少開(kāi)放水體中細(xì)菌生物量最有效的敵害類(lèi)型，但在減少生物膜生物量方面效率最低，而變形蟲(chóng)減少了開(kāi)放水相和生物膜中的細(xì)菌。變形蟲(chóng)對(duì)細(xì)菌生物膜的取食效應(yīng)在實(shí)驗(yàn)?zāi)┢谧顬槊黠@。噬菌體對(duì)細(xì)菌生物量的長(zhǎng)期負(fù)面影響幾乎可以忽略不計(jì)，盡管用祖先噬菌體和細(xì)菌進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)表明，噬菌體有能力在24小時(shí)內(nèi)裂解大部分開(kāi)放水相中的細(xì)菌生物量。這表明，由于快速的防御進(jìn)化，與原生動(dòng)物進(jìn)行的下行調(diào)控相比，噬菌體進(jìn)行的下行調(diào)控效應(yīng)是時(shí)間依賴(lài)性的，并且在長(zhǎng)期內(nèi)影響較小。敵害的組合效應(yīng)對(duì)生物膜生物量的影響最為顯著。
材料與方法
研究物種和菌株
細(xì)菌粘質(zhì)沙雷氏菌菌株Db11由Hinrich Schulenburg教授惠贈(zèng)，最初從死亡的果蠅中分離得到。粘質(zhì)沙雷氏菌是一種環(huán)境生長(zhǎng)的革蘭氏陰性菌，也是機(jī)會(huì)致病菌，感染廣泛的宿主，包括植物、珊瑚、線蟲(chóng)、昆蟲(chóng)、魚(yú)類(lèi)和哺乳動(dòng)物。粘質(zhì)沙雷氏菌通常以自由生活形式存在于土壤、淡水和海洋生態(tài)系統(tǒng)中，并經(jīng)常遭遇寄生性和捕食性敵害。
捕食性顆粒取食纖毛蟲(chóng)嗜熱四膜蟲(chóng)菌株ATCC 30008（最短世代時(shí)間約2小時(shí)，購(gòu)自美國(guó)模式培養(yǎng)物集存庫(kù)，通常在25°C下于PPY（蛋白胨酵母培養(yǎng)基）中常規(guī)維持。
自由生活變形蟲(chóng)卡氏棘阿米巴菌株CCAP 1501/10（世代時(shí)間約7小時(shí)）購(gòu)自藻類(lèi)與原生動(dòng)物培養(yǎng)物保藏中心（英國(guó)安布爾賽德渡船屋淡水生物協(xié)會(huì)），通常在25°C下于PPG（蛋白胨葡萄糖培養(yǎng)基中常規(guī)維持。
感染粘質(zhì)沙雷氏菌Db11的專(zhuān)性裂解性噬菌體Semad11于2009年從芬蘭于韋斯屈萊的一個(gè)污水處理廠分離得到。Semad11是一種T7樣噬菌體，屬于短尾噬菌體科（A-M.Ormala-Odegrip，未發(fā)表數(shù)據(jù)）。
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