扩散限制和预适应在塑造社会性变形虫群落中Paraburkholderia内共生菌频率中的作用

《Applied and Environmental Microbiology》：The roles of dispersal limitation and pre-adaptation in shaping Paraburkholderia endosymbiont frequencies in social amoeba communities

本研究以Paraburkholderia共生体与dictyostelid社会性amoeba宿主为模型系统，探讨扩散对共生分布和进化的影响。通过自然调查和实验扩散，发现共生分布具有显著地理特征，且人工干预下各共生体能在不同宿主种群中稳定存在，其益损不随宿主系统发育距离变化。这表明共生体可能预先适应多种宿主，其分布主要受扩散限制影响。

　　在自然界中，宿主与共生体之间的相互作用长期以来被认为在塑造真核生物的进化和多样化过程中扮演着关键角色。然而，尽管这些相互作用的重要性已被广泛认可，我们对生态过程如何调控共生体在宿主种群中的分布仍知之甚少。本研究以社会变形虫（dictyostelid social amoebae）与它们的共生菌 *Paraburkholderia* 为例，探讨了扩散（dispersal）这一基本生态过程在共生关系分布和进化中的作用。通过分析自然种群中共生体的多样化模式，以及在实验中人为调控共生体扩散至不同宿主种群的效果，我们发现共生体的扩散能力对其在宿主种群中的分布具有显著影响。同时，共生体与宿主之间的相互作用所带来的益处或害处，并未随宿主与假定焦点宿主 *Dictyostelium discoideum* 的进化距离而改变，这表明 *Paraburkholderia* 共生体可能已经具备了适应多种宿主环境的特性。我们的研究结果强调了扩散在共生关系生态和进化动态中的关键作用，为理解生态过程如何影响共生体的分布和频率提供了新的视角。

共生关系在复杂真核生物中普遍存在，例如线粒体和叶绿体，它们被认为是曾经自由生活的原核生物的遗迹。然而，关于生态过程如何促成从自由生活到宿主相关状态的转变，目前仍缺乏深入理解。通常，选择（selection）被认为是解释这种转变的主要机制：那些更擅长感染宿主并可能为宿主提供某种益处的共生体，因其被选择而增加频率，而那些无法有效感染宿主的共生体则可能被选择淘汰。然而，这种观点仅涵盖了生态和进化过程中的一部分。本研究提供了证据表明，扩散（以及其限制）在塑造 *Paraburkholderia* 共生体在社会变形虫宿主群体中的分布和频率方面可能比选择更为重要。这一发现强调了在研究共生关系的生态和进化时，需要考虑区域生态过程，而不仅仅是单个宿主与共生体之间的相互作用。

在生态理论中，决定生物分布和频率的机制与决定等位基因分布和频率的机制类似，包括选择、漂变（drift）、扩散（基因流动）和多样化（突变）。从生态和进化角度来看，共生体在宿主之间的分布通常被认为是选择的结果：宿主对共生体的选择压力可能促进或抑制共生体的定殖，从而影响宿主的适应性。然而，生态理论也认识到不同机制之间的相互作用，并试图理解每种机制在塑造生物分布中的相对重要性。最近，关于宿主-共生体相互作用分布的研究开始从以选择为中心的框架转向更全面的生态过程整合框架，包括生态漂变和扩散等机制。

在这一更广泛的视角下，首先需要明确用于研究宿主-共生体动态的典型框架。选择的概念通常是最直观的，如果共生体能够有效感染宿主（无论是寄生还是互利），这种相互作用就会因为选择压力而增加频率。相比之下，生态漂变则是由于繁殖和传播中的随机性导致共生体的丧失。例如，如果一种共生体在某个宿主种群中仅感染了少数个体，它就可能因为漂变而无法在种群中广泛传播。因此，为了提高共生体的频率并克服漂变的影响，确保传播的准确性至关重要。从生态理论的角度来看，传播类似于扩散。在最广泛的意义上，扩散指的是生物到达特定环境的密度或速率。对于共生关系而言，目标环境是宿主的内部环境。因此，共生体的传播（无论是通过遗传还是环境获取）本质上描述了相同的扩散过程。从这个角度来看，共生体扩散的限制可能由多种机制产生。环境获取的共生体可能无法在宿主的局部环境中以足够高的速率到达，从而导致其因漂变而灭绝。或者，即使共生体在局部环境中能够以足够高的速率扩散，它们可能因为其他原因被选择淘汰。同样，垂直传播的共生体可能由于宿主内部动态而具有随机成分。无论机制如何，最终的生态结果是相似的：共生体可能无法频繁感染宿主，从而无法让选择压力克服其可能的漂变损失。

在自然种群的调查中，我们发现 *Paraburkholderia agricolaris* 的多样化模式高度依赖于地理分布，这表明扩散限制在这些共生关系的分布中起着重要作用。因此，我们预测，当人为调控共生体的扩散时，它们应该能够在不同的宿主种群中建立并维持较高的频率。为了验证这一预测，我们将三种已知的 *Paraburkholderia* 共生体引入六个不同的社会变形虫种群，并测量它们在三个世代中的频率。结果显示，大多数宿主-共生体配对中，共生体的频率保持在或接近100%。唯一的例外是 *P. agricolaris* 在 *Cavenderia aureostipes* 宿主中的频率仍维持在60%到80%之间。这表明每种共生体都能够稳定地感染每个宿主种群。我们还使用红色荧光蛋白（RFP）标记的共生体和共聚焦显微镜确认了共生体在宿主内部的感染情况，结果显示每种共生体都能够感染不同宿主的孢子。此外，我们发现共生体的感染比例与宿主的进化距离无关，这表明它们可能已经具备了适应多种宿主的特性。

在自然种群中，社会变形虫与多种 Burkholderiales 共生体存在广泛的相互作用。我们通过筛查自然种群发现，社会变形虫宿主携带了来自15个 Burkholderiales 属的79个独特的LepA基因型。这些共生体的频率在不同宿主种群中存在显著差异，其中 *D. discoideum* 和 *Dictyostelium minutum* 的共生体频率明显高于其他宿主。这一发现进一步支持了扩散限制在共生关系分布中的作用。然而，我们并未确定这些共生体是否能够在宿主内部持续存在，因此需要更多的研究来验证这一点。

本研究的结果表明，扩散限制在塑造社会变形虫与 *Paraburkholderia* 共生体之间的相互作用中起着关键作用。我们发现，即使共生体在某些宿主中表现出一定的适应性，它们的频率仍然受到扩散能力的显著影响。因此，生态漂变可能在这些共生关系的分布中起到重要作用，尤其是在共生体频率较低的情况下。我们的研究还指出，共生体的扩散可能受到宿主和共生体双方的限制。例如，自然种群中的社会变形虫可能因为地理隔离而具有较低的扩散能力，而共生体可能因为环境条件的限制而无法在宿主的局部环境中达到足够的密度。因此，共生体的分布可能是由宿主和共生体双方的扩散限制共同决定的。

在更广泛的背景下，扩散在宿主-共生体相互作用的频率和分布中扮演着重要角色。然而，目前尚不清楚扩散限制是否普遍存在于宿主-微生物相互作用中。例如，生物地理模式在许多系统中都很常见，从海海绵到豆科植物，但需要更多的实验来确定这些模式是由扩散限制还是局部选择压力驱动的。此外，在同一系统中，扩散限制的模式可能存在显著差异，如某些海洋双壳类动物的共生体。因此，理解扩散在不同系统中的作用对于揭示共生关系的进化动态至关重要。

总之，本研究通过自然种群调查和实验分析，揭示了扩散在社会变形虫与 *Paraburkholderia* 共生体之间相互作用中的重要性。我们的发现表明，共生体的分布可能更多地受到扩散限制的影响，而非长期共进化动态。这为我们理解共生关系的生态和进化过程提供了新的视角，并强调了在研究共生关系时，需要考虑区域生态过程的影响。未来的研究应进一步探索扩散与选择等生态过程之间的相互作用，以更全面地理解共生关系的演化机制。