本文来自微信公众号：Nature自然科研（ID：Nature-Research），原文以A rule from bacteria to balance growth and expansion为标题发表在2019年11月6日的《自然》新闻与观点上，原文作者：Henry Mattingly & Thierry Emonet
细菌会沿着化学引诱剂的浓度梯度移动。两项研究发现，在营养丰富的环境中，细菌会跟随一种非营养引诱剂实现快速生长，但扩张过快会使它们易受攻击。
细菌可以感知化学引诱剂，并利用这些信息趋利避害，这一过程被称为“趋化”。但是，为何细菌会受这些没什么营养的信号指挥却一直是个谜。Cremer等人[1]在《自然》发文称，细菌种群会以无营养的引诱剂为线索，在营养丰富的区域实现快速扩张，确保留下充足的营养用于之后的生长。在第二篇论文中，刘为荣等人[2]在这项研究的基础上，揭示了一个出人意料的细菌演化规则：细菌种群抢占栖息地的最安全方式并非“越快越好”，因为快速扩张会给竞争对手带来可趁之机。
20世纪60年代，生物化学家Julius Adler表明，消耗某种化学引诱剂的细胞群会根据细胞自身形成的浓度梯度，形成一种快速扩张的波[3]。也就是说，通过消耗周围的引诱剂，细胞会在当前位置和引诱剂尚未被消耗的位置之间形成浓度梯度差。然后，这些细胞就像追着胡萝卜跑的兔子，不断涌向更高的浓度。波的扩张速度取决于细胞在移动中消耗周围诱导物的速度[4]。
和Adler的实验一样，Cremer等人研究了这种趋化性扩张（占据更多的空间）会如何影响细胞群的生长（细胞数量的增加）。作者先在培养皿中接种很小的菌落，并随细菌生长测量种群的大小，直到它们填满全部空间。和Adler观察到的一样，这些菌落会形成扩张波，一些细胞落在波前（wavefront）的后面，在新覆盖的区域上定植。
重点来了，当Cremer等人添加少量的非营养化学引诱剂（有别于细菌生长所依赖的营养物质）后，种群会在周围营养物被“吃”光之前利用趋化性进行扩张。这种行为增加了特定时间内能获得营养物质的细胞数量；相比没有诱导物提供方向信号时，这些种群生长得更快（见图1）。这种生长优势来源于趋化性与生长的差别：引诱剂是指挥细菌“攻城略地”的一种信号，不是它们的营养来源5。如果引诱剂是唯一的营养来源，种群的增长就不会那么快——要么引诱剂过分充足，导致细胞不能快速消耗它们实现扩张；要么引诱剂太过有限，尽管实现了快速扩张，但波前后的细菌会因为营养匮乏而无法生长。
图1 | 细菌如何在营养丰富的环境中实现最大化生长。a）菌群通过细胞分裂和随机运动在营养丰富的栖息地内扩散。但这种方式会导致菌群的绝大部分都停留在一个小区域内，耗尽局部有限的营养——因此，许多细胞处于饥饿状态（浅蓝色），只有边缘细胞才能生长（深蓝色）。b） Cremer等人[1]在相同的环境中培养细菌，但在环境中加入了较低水平的无营养引诱剂（图中未显示）。于是，这些细胞会通过名为“趋化”的过程追逐引诱剂，在局部营养耗尽之前在培养皿中迅速扩散，以便让大部分细菌获得生长所需的营养。
这项研究表明，在营养丰富的环境中，单一种群的扩张速度越快，它的生长速度就越快。但是，当竞争者（包括种群中自发产生的突变体）扩张到你的地盘时会发生什么呢？去年，我和我的同事[6]指出，具有不同趋化能力（但基因相同）的细菌可以通过空间上的自我组织，在相同的扩散波中一起传播。负责冲锋的细胞在波的前方移动，那里引诱剂浓度梯度较低；负责殿后的细胞则落在波的后方，这里被消耗的引诱剂更多，浓度梯度差较大。浓度梯度差越大，就越容易被细胞感应到。因此，这种空间排布能让所有细胞以大致相同的速度移动。不过，殿后的细胞很有可能跟不上前面的同胞，并在已覆盖的区域定植生长，而研究人员并不清楚这种分布机制会如何影响多个种群在扩张过程中的相对生长速度。
刘为荣等人用一个演化实验回答了这个问题。和Cremer等人的研究一样，刘为荣和同事也在培养皿中接种了一个菌群，让其可以扩张并填满整个空间。随后，作者以接种点为原点，确定了五个固定距离，并在这些位置挑选抵达该处的细菌，再将它们接种到一个新的培养皿中，让它们再次扩张（见图2a）。研究人员将这一过程重复了50次，且每次都从相同的距离取菌。
图2 | 抵御竞争对手的扩张策略。刘为荣等人[2]的研究表明，为争夺有限的空间，快速扩张不一定是最优策略。a）作者先在培养皿中央接种细胞，让菌群在培养皿中扩散（用向外的箭头表示），再在离接种点固定距离的几处挑选细菌（作者选了5个距离，简明起见，这里只显示3个）。随后，作者将不同距离采集的细胞重新接种到不同的培养皿中，重复这个过程。在新接种的细胞填满培养皿后，作者再从与之前相同的距离采集细胞。这样循环往复50次后，菌株也得到了演化：最初离接种点越远的细菌，其演化后的扩张速度也越来越快。b）然后，研究小组将不同速度的菌株接种在同一个培养皿中，让它们互相竞争。作者发现了确定哪种菌株会霸占距离d处的一个简单规则：d = u/λ，u为没有竞争情况下的菌株扩张速率，λ为细菌的分裂速度。竞争的结果是，接种点附近最多的是慢菌株，而快菌株在更远的位置更多，但在特定距离d处，红色菌株独占一隅，不可侵犯。
基于Cremer等人的发现——快速扩张可以带来快速生长，人们不禁会想，无论刘为荣等人一开始从何处挑选细菌，演化过程最后选择的肯定是扩张速度越来越快的菌株——并没有。随着演化实验的不断进行，离最初接种点越近的菌株比它们前几代的扩张速度更慢了，而离最初接种点较远的菌株则在演化过程中越变越快了。
随后，刘为荣等人开展了一次竞争试验，他们将演化出不同扩张速度的菌株接种在同一个培养皿中。结果发现，这些菌株会占领不同的区域：慢的菌株在波后的定植速度更快，因此在靠近接种点的地方最多；而快的菌株定植速度更慢，在远离接种点的地方最多（图2b）。因此，每种细菌的适应性（由其相对丰度来量化）取决于一开始它离接种点的距离，这是从该演化实验中得到的一条线索。
最后，通过模拟与数学论证，研究人员发现了一个简单的规则。这个规则可以预测在离接种点任意距离（d）时，哪种菌株的适应性最强。假设扩张速度为u（没有竞争存在的条件下），生长速率为λ，那么菌株就在d = u/λ处最多。如果菌株的扩张速度越快，落在所生长区域的细菌更少，所以该菌株可以跑到更远的地方去（更大的d），超过其他落后的菌株。相比之下，如果菌株的生长速率越快，就会越早成为扩张波前的主要菌株，定植生长也更早。
综上所述，这些有趣的结果告诉我们，菌群到底是如何在快速生长与扩张的同时，又能确保竞争者无法侵犯它们的领地的。从绝对意义上说，刘为荣和同事的演化菌株并不是最适的：在单独接种时，他们不是生长最快的。而是说，经过演化，它们可以在面对竞争对手的入侵时，占据一个稳定“地形”。
这两项最新研究开发的实验系统非常适合用于探索细菌这种塑造并适应复杂化学环境的能力是如何影响生态与演化的动态过程的。这些结果带来的认识将远远超出了解细菌趋化的范畴，帮助跨领域研究人员更好地理解生长中细菌的种群行为。
参考文献：
1. Cremer, J. et al. Nature 575, 658–663 (2019).
2. Liu, W., Cremer, J., Li, D., Hwa, T. & Liu, C. Nature 575, 664–668 (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).
注：Henry Mattingly和Thierry Emonet是耶鲁大学分子、细胞和发育生物学系的研究员。
本文来自微信公众号：Nature自然科研（ID：Nature-Research），原文作者：Henry Mattingly & Thierry Emonet