噬菌体多样性映射蜜蜂肠道菌群中的细菌株水平多样性：互作网络揭示生态进化新机制

《Nature Communications》：Phage diversity mirrors bacterial strain diversity in the honey bee gut microbiota

本研究针对当前对宿主相关微生物组中噬菌体-细菌多样性关联认知不足的现状，以西方蜜蜂（Apis mellifera）为模型，通过配对宏基因组测序分析49只个体蜜蜂肠道样本，首次构建了生态系统水平的噬菌体-细菌互作网络（PBIN）。研究发现该网络具有高度模块化（Q=0.71）和模块内嵌套结构，且病毒与细菌的α和β多样性在细菌株水平及模块内呈现最强相关性。该研究提出“结合互作网络结构与株水平分辨率”是揭示噬菌体-细菌多样性关联的关键策略，为理解微生物群落组装中自上而下与自下而上调控机制提供了新视角。

　　

在微生物生态系统中，噬菌体（bacteriophages）作为细菌的主要捕食者，通过“杀戮赢家”（kill-the-winner）等机制深刻影响细菌群落的组成和功能。理论预测认为，噬菌体多样性应受细菌多样性控制（即自下而上效应），但实证研究结果长期矛盾：部分报道显示病毒与细菌多样性显著相关，另一些却仅发现微弱或无关联。这种分歧可能源于三大局限：第一，多数研究基于细菌物种水平分类，而噬菌体具有高度株水平特异性；第二，缺乏对噬菌体-细菌互作网络（PBIN）结构的解析；第三，复杂环境中多数噬菌体-宿主关系未被识别。

为突破这些局限，瑞士洛桑大学Philipp Engel团队以西方蜜蜂（Apis mellifera）肠道微生物组为模型，开展了一项创新研究。蜜蜂肠道菌群具有物种组成简单（以8个核心菌属为主）、株水平多样性高、且个体间菌株分布差异显著等特点，是理想的研究体系。研究通过对49只个体蜜蜂肠道进行配对病毒与细菌宏基因组测序，结合CRISPR spacer匹配和基因组同源性分析，重构了生态系统水平的PBIN，并系统揭示了病毒与细菌多样性在多重尺度上的关联模式。该成果发表于《Nature Communications》，为理解宿主相关微生物组的生态进化动力学提供了新范式。

关键技术方法概述

研究采集49只蜜蜂的肠道样本，分离病毒样颗粒（VLP）和细菌组分进行配对宏基因组测序。通过MetaSPAdes组装、MetaBAT2分箱获得细菌MAG（bMAG）和病毒MAG（vMAG），使用CheckM和CheckV评估质量。利用CRISPRCasFinder鉴定细菌CRISPR阵列，通过spacer-protospacer匹配（≤2错配）和基因组同源性（ANI>90%, AF>50%）推断噬菌体-宿主关系。采用LP-BRIM算法模块化分析PBIN，基于Jaccard距离和Mantel检验评估群落β多样性，并通过线性模型分析α多样性关联。

研究结果

1. 配对宏基因组全面解析蜜蜂肠道病毒与细菌基因组

从49只蜜蜂肠道中共获得478个bMAG（330个高质量）和10,021个vMAG，聚类为53个细菌OTU（bOTU）和937个病毒OTU（vOTU）。病毒组分显著富集VLP，细菌组分以原噬菌体为主，验证了分组有效性。

2. 噬菌体-细菌互作网络呈模块化嵌套结构

75.2%的vMAG通过CRISPR或同源性匹配到宿主，构建的PBIN具有高模块性（Q=0.71），形成9个互作模块（IM），各模块对应单系菌属（如Bifidobacterium_7、Lactobacillus_8）。模块内相互作用呈显著嵌套结构（NODF检测），且广宿主噬菌体在蜜蜂间分布更广泛。

3. 病毒组成映射细菌株水平组成

细菌群落物种水平相似度高（Jaccard距离=0.29），但株水平变异显著（SNV比例1-23%）。病毒群落β多样性（vOTU水平Jaccard距离=0.91）与细菌株水平多样性高度相关（Mantel检验，p<0.001），且相关性仅限于同一IM内。

4. 模块内多样性级联效应

细菌模块内多样性（系统发育多样性×平均核苷酸多样性）与病毒丰富度显著正相关（Pearson's R=0.94）。线性模型显示株水平多样性是病毒丰富度的关键预测因子（p<3.3×10^?5），且关联强度在跨模块分析中减弱。

结论与讨论

本研究通过高分辨率PBIN分析，揭示了噬菌体多样性在细菌株水平与互作网络模块内与宿主多样性紧密耦合。这一发现解释了既往研究结果不一致的原因：忽视株水平分辨率和PBIN结构会导致生态信号稀释。研究进一步提出，蜜蜂肠道中菌株的共存或分离（如由饮食或定植优先效应驱动）可能通过自下而上机制影响噬菌体多样性，而噬菌体的“杀戮赢家”效应也可能通过自上而下调控维持菌株多样性。未来需结合实验操纵（如营养干预与噬菌体剔除）以解析两种机制的相对贡献。该工作为理解动物相关微生物组的生态进化动力学提供了框架，并强调在微生物群落研究中整合互作网络与株水平分析的必要性。