捕食性细菌新类群——慢生单胞菌目细菌独特的生境适应性分析

Bradymonabacteria, a novel bacterial predator with versatile survival strategies in saline environments

• 第一作者：穆大帅

• 通讯作者：杜宗军

• 通讯单位：山东大学

• 合作者：美国俄克拉荷马大学 周集中教授；清华大学 杨云锋教授

• DOI：https://doi.org/10.1186/s40168-020-00902-0

• 新闻报道：https://xinwen.wh.sdu.edu.cn/info/1002/28014.htm

背景

噬菌体的侵染和原生生物的捕食是微生物群落构建的生物调节驱动力。随着捕食型细菌的不断发现，人们逐渐认识到捕食性细菌可能在环境微生物群落构建过程中发挥重要作用。
过去人们通常认为捕食性细菌分为专性捕食型和兼性捕食型两大类。随着新型捕食性细菌的不断发现，当前的研究工作并没有对不同细菌捕食者的宿主依赖程度进行很好地分析和比较，是否存在比较明显的过渡型捕食者有待确认。而发现并明确过渡型捕食者对将来研究专性捕食性细菌、兼性捕食性细菌及自由生长的细菌之间的演化过程提供研究基础。
慢生单胞菌目（Bradymonadales）是本课题组于2015年建立的一个新目，该类群微生物属于δ-变形菌纲。基于我们前期开发的培养方法（Mu et al., Microbiome, 2018）已经分离培养9株慢生单胞菌（共代表7个潜在新种）。研究发现慢生单胞菌类群(包括目前所有的可培养菌株)均具有较强的捕食其他细菌的能力，同时我们认为该类群是类似于粘细菌的一大类捕食性细菌。因此，捕食性慢生单胞菌类群是否具有独特的捕食适应性生存策略及其可能的生态学效应有待发掘。

结果分析

我们对慢生单胞菌FA350菌株和B210菌株进行捕食细菌能力分析，从变形菌门（129种）、拟杆菌门（40种）、厚壁菌门（53种）和放线菌门（58种）共选取280种不同分类地位细菌菌株进行互作检测，发现慢生单胞菌能够对不同细菌进行捕食，其中对90%所选的拟杆菌门微生物有捕食作用（图1），表明慢生单胞菌对细菌具有广泛的捕食能力。对捕食过程亚细胞水平分析发现，慢生单胞菌捕食能够合成PHAs及多聚磷酸（图2）。

图1 捕食猎物多样性分析

Predation assays for potential prey organisms.

图2 电镜观察慢生单胞菌捕食猎物

TEM and SEM micrographs of Bradymonas sediminis FA350T (predator) and Algoriphagus marinus am2 (prey).

对目前已知的所有9株可培养慢生单胞菌基因组测序，并选取4个已知通过宏基因组拼接的慢生单胞菌基因组进行比较基因组学分析，发现所有慢生单胞菌都是多营养缺陷型细菌，拥有不完整的磷酸戊糖途径、缺乏嘌呤嘧啶从头合成、多种氨基酸及生长因子合成途径缺失，甚至脂肪酸合成途径也不完整（图3）。这些关键途径的缺失或不完整表明慢生单胞菌对猎物具有高度依赖性。另外，研究发现捕食过程依赖细胞间直接接触，慢生单胞菌液体发酵上清液无抑菌活性，利用互作转录组发现捕食过程中IV型菌毛系统、III型分泌系统以及外膜囊泡合成系统相关基因高表达，也暗示其可能的接触性捕食特点，而该特点与专性捕食性细菌类似。

图3 慢生单胞菌多基因组代谢途径重构分析

Metabolic capabilities of Bradymonabacteria.

为了进一步考察慢生单胞菌基因组与已知其他捕食型细菌基因组的异同，我们对目前将其与已报道的其他26个捕食型细菌基因组进行比较，发现慢生单胞菌有别于目前报道的“专性捕食细菌”和“兼性捕食细菌”，是一个独立的类群（图4、表1）。鉴于目前捕食者分类的不准确现状，我们结合慢生单胞菌独有的生存特点，提出了捕食性细菌类群划分的新体系：将捕食性细菌划分为“专性捕食者”、“兼性捕食者”和“机会捕食者”三大类群，其中慢生单胞菌是兼性捕食者的典型代表（表1）。这种分类方式能够更准确和全面的概括目前捕食细菌的生存特点。

图4 捕食性细菌代谢途径聚类分析

Gene abundance in facultative and obligate bacterial predators.

表1 三种捕食性细菌特征分析

Table 1 The features of 3 different types of bacterial predators

为了进一步评价该类群在全球生境中可能具有的生态学效应，我们对该类群进行了生物地理学分析，对全球部分16S rDNA高通量测序数据分析发现，慢生单胞菌的分布主要集中在含盐环境，如海洋、盐湖、盐碱地等（图5）。并不同于已知的两大捕食类群（蛭弧菌目和粘球菌目），表明慢生单胞菌有特殊的生境适应性并成为特殊生境中的优势捕食性细菌。谱系进化的多样性研究发现慢生单胞菌可划分成6个潜在科，且不同潜在科类群具有不同的生境适应和进化模式（图6），为后续进一步研究慢生单胞菌的生境适应性进化提供参考。

图5. 慢生单胞菌生物地理学分析

Global distribution and biodiversity patterns of Bradymonabacteria in eight types of biotopes from 1552 samples.

图6 慢生单胞菌多样性及生境适应性分析

Phylogeny of 6 proposed subgroups of Bradymonabacteria.

总结

慢生单胞菌独特的代谢模式（多代谢途径缺失和高效的饥饿应答机制等）赋予该类群特有的捕食模式，可以看作是之前报道的专性捕食性细菌和兼性捕食性细菌之间的过渡型类群。结合其捕食方式、生理模式等，我们建议将原有的专性捕食性细菌和兼性捕食性细菌重新分类，即：专性捕食性细菌、兼性捕食性细菌（慢生单胞菌类）、机会主义捕食性细菌。
慢生单胞菌捕食过程可以将营养以多聚物的形式储存于细胞中，考虑其广泛的捕食能力及地理分布特点，推测慢生单胞菌可能对全球盐环境中微生物群落的构建及元素循环有调控作用。

作者简介

第一作者：穆大帅，山东大学海洋学院，副教授（博导），微生物技术国家重点实验室“药源微生物基础和应用创新团队”成员。2013年毕业于南京农业大学生命科学学院，2014年山东大学（威海）师资博士后，合作导师陈冠军教授，2015年获“江苏省优秀博士论文”，2019年入选山东大学（威海）“青年学者未来计划”，2019.04-2020.06年于美国俄克拉荷马大学环境基因组实验室访学。现主要研究方向为海洋微生物资源发掘。主持国家自然科学基金2项，以第一作者或通讯作者在Microbiome, Environmental Microbiology, Bioresource Technology, IJSEM等期刊发表多篇论文，并完成海洋细菌新纲——童第周菌纲（Tichowtuangiia classis nov.）的分离、培养及鉴定工作。

通讯作者：杜宗军，山东大学海洋学院教授、博士生导师。山东省海洋微生物菌种保藏与应用工程技术研究中心主任，微生物技术国家重点实验室“药源微生物基础和应用创新团队”Co-PI。致力于细菌分离培养技术以及分类学研究，发展了细菌富集分离技术，在细菌分离、培养方面形成了自己的技术体系。发现了大量具有重要研究价值的细菌新类群，例如海洋沉积物中细菌区系的核心成员——伍斯菌科等。发表细菌新纲1个，新目2个，新科4个，新属25个，新物种100余个。建立山东省海洋微生物菌种保藏与应用工程技术研究中心，保藏微生物1.5万余株。中心提供菌种鉴定、共享、筛选等技术服务。以通讯作者在Microbiome和IJSEM等期刊发表多篇论文。

参考文献

Da-Shuai Mu, Shuo Wang, Qi-Yun Liang, Zhao-Zhong Du, Renmao Tian, Yang Ouyang, Xin-Peng Wang, Aifen Zhou, Ya Gong, Guan-Jun Chen, Joy Van Nostrand, Yunfeng Yang, Jizhong Zhou & Zong-Jun Du. (2020). Bradymonabacteria, a novel bacterial predator group with versatile survival strategies in saline environments. Microbiome 8, 126, doi: https://doi.org/10.1186/s40168-020-00902-0

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