项目文章eLife | 单细胞分辨率下宿主与共生菌互作研究成果
研究背景
多细胞生物如昆虫和人类携带微生物群落，对宿主健康至关重要。这些微生物与宿主互惠共生，但具体机制尚不明确。宿主影响微生物群落结构，而微生物则通过转录重编程适应宿主环境，实现从致病到共生的转换。为了探究宿主如何调节细菌的生活方式，研究者通过构建果蝇和细菌模型系统来进一步阐述宿主-宿主微生物的相互作用。
近日，安徽农业大学刘威研究团队、湖南大学王奕蓉研究团队和浙江大学王永成等研究团队联合在国际著名生物学综合期刊eLife（IF：6.4）上发表了题为“Hosts manipulate lifestyle switch and pathogenicity heterogeneity of opportunistic pathogens in the single-cell resolution”的研究论文。该研究利用果蝇和细菌模型系统，通过单细胞RNA测序、代谢组学等手段揭示了宿主-宿主微生物的相互作用；研究结果深入了解了宿主在利用共生细菌细胞的生命史和异质性方面的关键作用，增进了对宿主和病原体之间相互关系的了解。欧易生物提供GC-MS代谢组学检测及技术支持服务。
发表期刊：eLife
影响因子：6.4
研究材料：
果蝇粘质沙雷氏菌（Serratia marcescens）
运用组学技术方法：单细胞RNA测序、GC-MS代谢组学
技术路线
研究结果
1、果蝇幼虫改变微生物的表面形态和种群数量
研究表明：果蝇幼虫的存在能够显著影响与其共生的细菌的特性。幼虫改变了细菌在培养基上的形态和数量，强壮的果蝇导致细菌群落破碎，而弱小或不育果蝇则使细菌群落保持完整。实验还发现：与雄性和未生育的雌性相关的培养基中的细菌负荷显著高于对照组，表明幼虫是减少细菌种群数量的关键因素。
进一步的实验揭示了果蝇幼虫通过其排泄物中的抗菌肽（antimicrobial peptides，AMPs）对S. marcescens的生长和致病性进行调控。添加AMPs可以模拟幼虫对细菌的影响，减少细菌的致病性并促进其向共生性的转变。使用多种突变菌株的实验结果表明：AMPs是限制细菌生长的主要因素，而不是其他免疫效应物。
图1 果蝇幼虫塑造地形和细菌群落的承载能力
2、果蝇幼虫在生态位中与细菌进行竞争
研究者通过实验发现，果蝇幼虫能够显著影响与其共生的S. marcescens细菌的特性。实验中，S. marcescens在果蝇食物中形成了粉红色的表面滑腻，其颜色强度在接种后24小时达到峰值后逐渐褪色。通过分光光度计检测，共培养的S. marcescens产生的灵菌红素显著低于单独培养的S. marcescens。此外，单一S. marcescens的种群增长速度比共存的更快，但共存的S. marcescens在幼虫移植的影响下，其种群增长在初始阶段受到抑制。研究还发现：添加不同数量的幼虫可以减少表面滑腻的颜色强度，并且S. marcescens的种群大小受到幼虫数量的剂量依赖性限制。这些结果表明：果蝇幼虫在调节S. marcescens的生长和产色素能力方面发挥着关键作用，有效地控制了细菌在栖息地中的数量。
图2 果蝇幼虫在食物中的竞争力超过了S. marcescens
3、果蝇幼虫调节S. marcescens从病原菌到共生菌的转变
研究者探究了S. marcescens在与果蝇共生时的致病性与共生性转换。实验发现：共培养的S. marcescens导致果蝇死亡率升高，表明其致病性增强。然而，在营养有限的环境中，S. marcescens有助于果蝇幼虫的最佳发育，暗示其共生潜力。实验排除了基因突变导致表型变化，并通过透射电子显微镜观察到共培养的S. marcescens细胞壁变薄，相关基因表达受抑制。这些发现揭示了果蝇幼虫如何调节S. marcescens的致病性与共生性之间的转换。
4、果蝇强化细菌对宿主的全局转录和代谢适应性
为了探索果蝇幼虫如何调控S. marcescens的致病性与共生性，研究者进行了转录组测序和代谢组学研究。实验通过在接种后24小时对细菌细胞进行批量RNA测序，发现与单独的S. marcescens相比，共培养的S. marcescens表现出大量基因的上调和下调，这些差异表达基因主要涉及细菌增殖、生长、致病性等方面。
研究表明：果蝇幼虫的存在显著改变了S. marcescens的转录组和代谢特征，促使其从致病性向共生性转变。幼虫移植后，S. marcescens的致病性相关基因表达被抑制，而与细菌增殖相关的基因上调，这种表型转换是由转录变化驱动的。
图3 果蝇幼虫根据宿主调整细菌整体转录适应性
5、幼虫调节 S.marcescens的致病性异质性
为了探究S. marcescens细菌在果蝇幼虫影响下的致病性异质性，研究者实施了细菌单细胞RNA测序分析。实验首先验证了平台对热冲击下S. marcescens细菌群体的转录反应的捕获能力，然后分析了在果蝇食物条件下，S. marcescens在受到幼虫和机械力挑战时的异质性转录反应。结果表明；幼虫移植和搅动在基因表达模式上引起了显著变化，揭示了细菌在单细胞水平上的致病性异质性。
通过单细胞RNA测序，研究者进一步将S. marcescens的细菌群体划分为具有不同表达谱的亚群体，发现与致病性相关的基因在幼虫中的表达显著下降，而某些子簇中致病性基因的表达升高，表明这些子簇可能具有更强的致病性。此外，实验通过向果蝇食物中添加特定代谢物，证实了这些代谢物能够有效减少细菌的致病性，进一步证明宿主果蝇能够调节S. marcescens的转录和代谢，促使其从致病性向共生性转变。
图4 果蝇幼虫会影响S. marcescens的整体代谢特征
6、果蝇幼虫调节了S. marcescens的生长异质性
为了探究S. marcescens的致病性异质性，研究者通过单细胞RNA测序技术对细菌细胞进行了分析。实验首先验证了该技术在热冲击下的转录反应捕获能力，然后研究了S. marcescens在幼虫和机械力挑战下的异质性转录反应。结果揭示了细菌在单细胞水平上的致病性异质性，其中幼虫移植和搅动显著改变了基因表达模式。
研究进一步分析了S. marcescens在单细胞水平的生长异质性，发现与幼虫共存的S. marcescens表现出与生长相关的基因表达增加，如rpsL和trpD。氮代谢相关基因在与幼虫相关的簇中表达高峰，表明宿主可能促进了细菌的代谢适应。这些发现表明宿主全局性地导致S. marcescens的转录重编程，推动了细菌生活方式从致病性向共生性的转变。
图6 S. marcescens的生长异质性
7、果蝇幼虫产生的AMPs能有效对抗S. marcescens
研究者发现果蝇幼虫的存在能够显著影响S. marcescens的致病性和生长，通过实验验证了含有肠道排泄物的果蝇食物可以减少S. marcescens的颜色强度、红色素产量和种群数量。进一步探索发现：果蝇幼虫排泄物中的AMPs能够模仿幼虫存在时对S. marcescens的影响，表明AMPs在重塑S. marcescens中发挥了重要作用。
通过使用复合突变菌株‘ΔAMP’和IMD途径突变体RelE20的实验，研究者证实了AMPs是限制S. marcescens的关键因素，而不是其他免疫效应物。实时PCR用于确认基因表达的改变，支持了幼虫衍生的AMPs通过转录重编程促进S. marcescens从致病性向共生性的转变。
图7 幼虫衍生的AMPs可拮抗S. marcescens
研究结论
本文通过果蝇和细菌模型系统，利用单细胞RNA测序、代谢组学等手段，发现果蝇幼虫在竞争中有效地击败了S. marcescens，并且通常会促使细菌从致病性转变为对果蝇的共生性。此外，果蝇幼虫重塑了S. marcescens转录组和代谢特征，其特征是生活方式的改变。更重要的是，宿主在单细胞分辨率上改变了S. marcescens的致病性和异质性。最后作者发现幼虫衍生的AMPs是重现S. marcescens对幼虫反应所必须的。
本文利用果蝇和细菌模型系统，通过单细胞RNA测序、代谢组学等手段发现宿主是调节本地细菌种群数量和生命周期转换的先决条件。这为研究宿主和共生细菌是否能够协同作用以对抗潜在病原体的致病性提供了重要的理论依据，同时这也为我们对自然界宿主-共生体共同进化的理解提供了重要的研究思路。
原文链接
https://doi.org/10.7554/eLife.96789.3
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