Nature：细菌增长和扩张的平衡机制

The balancing act of growth and expansion

作者：HenryMattingly & Thierry Emonet

细菌沿着化学引诱剂的梯度移动。两项研究发现，在营养丰富的环境中，细菌可以通过跟随无营养的引诱剂快速生长——但是扩张过快会使它们变得脆弱。

细菌可以感知化学引诱物，并利用这些信息导航到资源或远离伤害——这一过程称为趋化性。但是为什么细菌追逐通常没有多少营养价值的信号一直是个谜。Cremer等人在《Nature》杂志上写道，细菌种群可以利用无营养的引诱物作为线索，快速扩展到营养丰富的地区，确保它们未来的生长有充足的营养。在第二篇论文中，刘等人在这项工作的基础上揭示了一个意料之外的细菌进化规律：细菌在栖息地繁殖定居的最安全方式不一定是尽可能快地扩张，因为快速扩张会使种群容易受到竞争对手的入侵。

20世纪60年代，生物化学家Julius Adler证明了一群消耗化学引诱剂的细胞可以形成一个快速膨胀的波，该波跟随细胞自身产生的移动浓度梯度。也就是说，通过在它们附近消耗引诱剂，细胞在它们当前的位置和化学物质尚未被消耗的周围区域之间产生了一个梯度。然后细胞追逐更高的浓度——就像马在棍子上追逐胡萝卜一样。波的膨胀速度取决于行进的细胞消耗本地引诱剂的速度。

Cremer等人研究了细胞群体如何利用趋化性扩张(定义为占据更多空间)，如Adler的实验，影响其生长(细胞数量的增加)。作者将小菌落接种在培养皿中，测量随着时间的推移细胞生长并充满可用空间时的种群大小。正如Adler所观察到的，新占据的空间不断扩张波，一些细胞落在波前后面，播种新覆盖的土地。

图1 | 细菌如何在营养丰富的环境中最大限度地生长。a、细菌种群可以通过细胞分裂和随机运动在营养丰富的栖息地扩散。但是这种方法会导致大多数人呆在一个小地方，耗尽当地的营养——因此，许多细胞挨饿(浅蓝色)，只有外缘生长(深蓝色)。b、Cremer等人在相同的环境中培养细菌，但含有低水平的非营养引诱化学物质(未显示)。细胞通过一种叫做趋化性的过程追逐引诱剂，在局部营养耗尽之前迅速在培养皿中扩张，因此大多数群体都有生长所需的营养。

重要的是，当Cremer及其同事添加少量非营养化学引诱剂时，这种化学引诱剂不同于细胞生长的营养物质，在局部营养物质耗尽之前，细菌利用趋化性进行扩张。这增加了在给定时间获得营养的细胞数量，并使种群比没有引诱剂的定向提示时增长得快得多(图1)。这种收获依赖于趋化性和生长之间的分离：引诱剂作为一种线索，而不是营养源，引导细胞朝向未被占据的区域。当引诱剂是唯一的营养物时，种群的增长就没有那么快了；要么引诱剂是丰富的，细胞不能足够快地消耗它来快速扩张，或者引诱剂是有限的，扩张可以很快，但是波前后面的定居者饥饿而不生长。

这项工作表明——在营养丰富的环境中——单个种群增长得越快，它就越快。但是当竞争对手(包括群体中自发产生的突变体)扩展到同一个领域时会发生什么呢？去年，我们及同事的研究表明，具有不同趋化能力(但基因相同)的细菌可以通过空间组织自己，在同一扩张波中一起增长。高性能细胞在波的前面行进，在那里引诱剂梯度很浅；低性能的在后面，那里的坡度更陡，因为更多的引诱剂被消耗掉了。坡度越陡越容易导航，因此这种空间组织允许所有细胞以大约相同的速度行进。然而，后面的细胞更有可能落在群体后面，在被覆盖的土地上播种。目前还不清楚这种分类机制如何影响多种种群一起旅行时的相对增长。

刘等人用进化实验解决了这个问题。正如在Cremer及其同事的研究，作者在培养皿中播种了一个细菌群体，并允许它扩展和填充可用的空间。然后，作者挑选了离起点五个固定距离之一的细菌，并将它们接种到一个新的培养皿中，在其中它们再次膨胀(图2a)。研究人员重复这个过程50次，每次从相同的距离取样。

鉴于Cremer及其同事发现更快的扩张会带来更大的增长，人们可能会期望刘和他的同事的方案会选择扩张越来越快的菌株，而不管选择的距离有多远。相反，随着周期的推进，在靠近最初播种地点的地方选择的菌株进化得比它们的祖先更慢，而在更远的地方选择的菌株进化得更快。

刘等人随后进行了一项竞争试验，他们用同一培养皿在试验中播种了不同膨胀速度的菌株。作者发现菌株占据不同的区域：慢菌株在波浪后面沉积沉降物更快，因此在靠近播种点处占优势，而快菌株沉积沉降物更慢，在远离播种点处占优势(图2b)。因此，每种菌株的适合度(通过其相对丰度来量化)取决于其离起点的距离——这是进化实验结果的线索。

图2 | 抵御竞争对手的扩展策略。刘等人指出，如果细菌在争夺有限的空间，快速扩张不一定是最好的策略。a、作者将细胞接种在培养皿的中心，让它们在培养皿中扩张(用向外的箭头表示)。然后他们挑选了离播种点固定距离的细菌(使用了五个距离，但为了简单起见，这里只显示了三个)。他们在不同的平板上重新接种从不同距离采集的细胞，并重复这个过程，在细胞充满平板后从相同距离采集细胞。重新播种50次导致菌株进化，其膨胀速度随着采摘距离的增加而增加。b、然后，该团队将不同速度的菌株一起播种在一个盘子里，这样它们就可以互相竞争。这揭示了一个简单的规则，用于确定在距离播种地点d处哪个菌株将占主导地位——这个规则满足d = u/λ，其中u是当种群在没有竞争的情况下扩张时菌株的扩张速率，λ代表细胞分裂的速度。慢速菌株在播种地点附近占优势，而快速菌株在较远的地方占优势，但是在特定的d值下，红色菌株不能被超越并受到保护。

最后，通过模拟和数学论证的结合，研究人员发现了一个简单的规则，可以预测哪种应变最合适。给定距播种地点的距离(d)。对于扩展速度u(在没有竞争的情况下扩展)和增长率λ，满足d = u/λ的菌株将在d处占优势。随着菌株扩展速度的增加，该菌株中较少的个体落后于该区域，因此在其他菌株落后之后，它在更远的距离(更高的d)处占优势。相反，一个应变的增长率越高，它越快成为扩展波前中的主要应变，因此它越早沉积定居者。

综上所述，这些令人着迷的结果显示了细菌种群如何平衡快速扩张和增长，同时确保竞争对手不能入侵它们的领地。从绝对意义上来说，刘和他的同事进化出的菌株并不一定是最适宜的：当它们被单独播种时，并不一定会扩张或生长得最快。相反，它们已经进化到填补一个生态位，在这个生态位中，当面临竞争对手的入侵时，它们是稳定的。

在当前两项研究中开发的实验系统非常适合探索细菌塑造和驾驭复杂化学环境的能力，如何影响生态和进化动力学。这些结果应该远远超出细菌趋化性，并提高研究人员对许多领域不断增长的种群行为的理解。

参考文献

1. Cremer, J. et al. Nature https://doi.org/10.1038/s41586-019-1733-y (2019).

2. Liu, W., Cremer, J., Li, D., Hwa, T. & Liu, C. Nature https://doi.org/10.1038/s41586-019-1734-x (2019).

3. Adler, J. Science 153, 708–716 (1966).

4. Keller, E. F. & Segel, L. A. J. Theor. Biol. 30, 235–248 (1971).

5. Yang, Y. et al. Mol. Microbiol. 96, 1272–1282 (2015).

6. Fu, X. et al. Nature Commun. 9, 2177 (2018).