菌株的重要性：在鱿鱼-弧菌共生关系中，宿主的反应反映了共生体的起源

《mSystems》：Strain matters: host responses reflect symbiont origin in the squid-vibrio symbiosis

共生菌种多样性对宿主发光器官发育及转录组的影响研究。通过比较50株宿主相关和12株自由生活的Vibrio fischeri基因组，发现宿主特异性菌株携带FecB铁转运蛋白和Fiu铁受体基因，而自由菌株缺失这些基因。利用RNA测序和形态学分析发现，宿主对同种来源菌株（如ES114、MB11B1、MB15A5）的转录组响应最相似，对异种菌株（如SR5、MJ11）则表现为更显著的免疫相关基因（如DMBT1、EGT B1）表达差异，导致发光器官发育延迟。特别是非宿主来源的MJ11菌株在宿主体内 colonization 效率较低，且需要引入rscS基因才能触发正常的瓶颈闭合发育过程。该研究揭示了宿主-共生菌协同进化中菌株水平差异的关键作用，为复杂微生物组研究提供模型。

　　本研究围绕共生微生物与宿主之间的相互作用展开，聚焦于一种特殊的共生关系——夏威夷拟乌贼（*Euprymna scolopes*）与其发光共生菌*Vibrio fischeri*之间的互动。通过对62个*V. fischeri*菌株进行基因组分析，包括50个与发光器官（LO）相关的菌株和12个自由生活的海水菌株，研究揭示了共生菌株与自由生活菌株在基因组成上的显著差异。特别是，某些基因在自由生活的菌株中缺失，但在共生菌株中普遍存在。这些发现为理解共生菌株如何影响宿主提供了重要的线索。

为了进一步探讨菌株多样性对宿主的影响，研究者选择了五个与发光器官相关的菌株：三个来自夏威夷拟乌贼的本土菌株，一个来自相关乌贼宿主，另一个来自海洋鱼类。通过将这些菌株引入幼年拟乌贼体内，并利用RNA测序技术，研究团队发现，宿主的转录反应在不同菌株之间存在显著差异。具体而言，来自同一宿主的菌株在转录反应上最为相似，而来自鱼类的菌株则表现出最少的相似性。此外，本土菌株在免疫相关基因的表达上表现出更强的下调能力，而非本土菌株则没有这种效应。这种差异可能与共生菌株与宿主之间的长期共适应有关。

研究还发现，非本土菌株可能导致宿主发育异常或延迟。例如，来自鱼类的菌株MJ11在感染拟乌贼时，仅能部分地成功定植，并且在感染的早期阶段未能引发宿主的正常发育反应。这表明，宿主对共生菌株的识别和响应不仅取决于其是否能够定植，还与菌株的遗传背景密切相关。在共生关系建立后，宿主的发光器官会经历一系列形态变化，如附肢的退化和瓶颈的收缩。然而，非本土菌株在这些发育过程中表现出不同的行为模式，可能延缓或干扰宿主的正常发育进程。

在基因表达层面，研究者发现，某些免疫相关基因在宿主被非本土菌株感染时表现出显著的上调或下调。例如，DMBT1基因在拟乌贼被鱼类菌株MJ11感染时表达水平明显升高，而该基因在本土菌株感染时则表达水平较低。DMBT1是一种与先天免疫密切相关的蛋白，能够识别微生物相关分子模式（MAMPs）并促进上皮细胞分化。这种表达模式的变化可能意味着宿主对非本土菌株的免疫反应更为活跃，而对本土菌株则表现出更强的耐受性。类似地，其他免疫相关基因如FFAR2也表现出不同的表达模式，进一步支持了宿主对共生菌株的识别机制可能涉及复杂的信号通路。

研究还发现，不同菌株对宿主瓶颈闭合的影响存在差异。瓶颈是连接发光器官与共生体定居腔的狭窄通道，其闭合是宿主适应共生的重要标志。在24小时后，本土菌株能够迅速引发瓶颈闭合，而非本土菌株则表现出延迟。这一现象可能与菌株的生物膜形成能力有关，因为RscS基因是调控生物膜形成的关键因子。当MJ11菌株被引入RscS基因后，其在24小时内的瓶颈闭合能力显著提高，表明RscS基因在这一过程中发挥了重要作用。然而，即使在RscS缺失的情况下，本土菌株ES114仍能引发瓶颈闭合，这表明宿主可能通过其他信号途径来调控这一过程。

从更广泛的视角来看，研究结果表明，宿主对共生菌株的反应不仅受到菌株本身的遗传特征影响，还受到菌株与宿主共进化历史的深刻影响。这种共进化可能通过多个机制实现，包括基因水平转移、适应性基因的获得和丢失，以及宿主与菌株之间复杂的信号交流。此外，研究还发现，共生菌株与自由生活菌株在功能基因组成上存在显著差异。例如，共生菌株更倾向于编码与铁代谢相关的基因，而自由生活菌株则更常携带抗病毒CRISPR-Cas系统。这些差异可能反映了共生菌株在适应宿主内部环境时所采取的策略，例如降低自由铁的浓度以避免宿主产生的抗生素和氧化应激物质的伤害。

研究团队还探讨了共生菌株在宿主发育过程中的作用，特别是在形态学和生理学层面。例如，某些基因的表达水平在不同菌株感染下表现出显著差异，这可能影响宿主的免疫调节、代谢适应以及组织结构的变化。此外，研究还发现，某些基因的表达水平与菌株的共生能力相关，如编码抗微生物蛋白的基因。这些基因在非本土菌株中表现出更高的表达水平，可能表明宿主对非本土菌株的免疫反应更为强烈。

从进化生物学的角度来看，研究结果揭示了共生关系中菌株水平的多样性如何塑造宿主的基因表达模式和发育过程。这种多样性不仅体现在菌株的遗传特征上，还可能通过宿主对不同菌株的适应性反应，影响共生系统的稳定性。例如，本土菌株可能更有效地与宿主进行信号交流，从而减少宿主的免疫反应，促进共生的长期维持。而非本土菌株可能由于缺乏某些关键的共生因子，无法有效与宿主建立稳定的共生关系，从而导致宿主的发育异常或免疫反应增强。

此外，研究还指出，未来的研究需要进一步探讨这些基因表达差异的具体生物学意义。例如，某些基因的表达水平变化是否反映了宿主对菌株的免疫耐受性，或者是否与菌株的代谢活动有关。同时，还需要进一步研究不同宿主物种之间的基因表达差异，以确定这些模式是否具有普遍性，还是仅限于拟乌贼这一特定宿主。例如，其他乌贼种类，如*Euprymna berryi*，是否也表现出类似的基因表达模式，或者是否存在物种特异性差异。

本研究的意义在于，它为理解共生系统中菌株多样性如何影响宿主提供了新的视角。以往的研究主要关注病原体与宿主之间的相互作用，而本研究则揭示了共生菌株与宿主之间的复杂关系。通过使用拟乌贼这一简单的无脊椎动物模型，研究者能够更清晰地观察宿主对共生菌株的反应，从而为研究更复杂的脊椎动物共生系统提供参考。此外，本研究还强调了菌株水平的多样性在共生系统中的重要性，这可能对微生物组研究产生深远影响。

在方法论方面，本研究采用了多种高通量技术，包括基因组分析、转录组测序和形态学观察。这些方法不仅能够揭示菌株与宿主之间的基因表达差异，还能够提供关于共生系统发育过程的详细信息。例如，通过比较不同菌株对宿主瓶颈闭合的影响，研究者能够更准确地评估菌株的共生能力。同时，转录组分析还能够揭示宿主如何通过基因表达调控来适应不同的共生菌株。

研究的局限性在于，所使用的菌株样本数量有限，特别是来自鱼类的菌株。因此，未来的研究需要扩大样本量，以获得更全面的数据支持。此外，研究还指出，某些基因的功能尚未完全明确，需要进一步的实验验证。例如，EgtB1-like蛋白的表达变化是否确实与抗氧化作用相关，或者是否具有其他生物学功能，都需要更多的研究来阐明。

总的来说，本研究通过分析*V. fischeri*菌株与宿主之间的相互作用，揭示了共生系统中菌株多样性对宿主基因表达和发育的影响。这些发现不仅加深了我们对共生机制的理解，还为未来的研究提供了新的方向，如探索不同宿主物种之间的共生模式、研究菌株与宿主之间的信号交流机制，以及进一步揭示共生系统中的共进化现象。通过这些研究，我们能够更好地理解微生物与宿主之间的复杂关系，并为开发新的共生研究方法提供理论基础。