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本文通过水螅研究发现，环境因素可重塑微生物群落，影响宿主健康，为理解疾病发生提供新视角。
研究背景与意义
在全球范围内，炎症性和自身免疫性疾病的发病率正以惊人的速度上升。尽管治疗方法不断进步，但人们对这些复杂疾病的根本原因仍知之甚少。所有真核生物都与复杂的微生物群落相关，微生物群落常影响宿主健康，其组成和功能的改变（即菌群失调，dysbiosis）可能是疾病发展的原因，这一观点为探究复杂疾病的起源提供了新方向。同时，遗传易感性虽在疾病发展中起作用，但环境因素被认为是疾病发作的主要触发因素。例如，后现代工业生活方式导致的营养摄入过剩，可能破坏宿主 - 微生物的自然关联，进而促进疾病发展，这便是 “过度喂养假说”（overfeeding hypothesis）的核心内容。此外，“卫生假说”（hygiene hypothesis）指出，抗生素的使用和卫生条件的改善导致重要微生物的流失，影响了微生物群落的多样性和宿主的适应能力。这些都表明，营养素、自然环境中的微生物以及生物体的微生物组之间存在复杂的相互作用。
本研究聚焦于水螅（Hydra）这一模式生物，旨在揭示环境因素对宿主相关微生物群落的影响，以及环境条件如何促使共生微生物转变为致病微生物，为全面理解生物体健康与疾病的关系提供关键线索。
水螅作为研究模型的优势
水螅是一种淡水刺胞动物，其微生物群落受宿主通过分泌抗菌肽等方式积极塑造。水螅的外胚层上皮细胞覆盖着多层糖萼，为微生物提供了生存环境。同时，水螅的微生物组在其发育过程、组织稳态、生理和行为表现以及抵御真菌感染等方面都发挥着重要作用。而且，水螅物种间的微生物群存在差异，且具有长期稳定性。作为水生生物，水螅的微生物组与周围水直接接触，这种整个群落间的物质交换被称为群落聚结（community coalescence），是宿主微生物组生态学中一个有待深入探索的现象。因此，水螅是研究宿主 - 微生物相互作用以及环境因素影响的理想模型。
研究方法
研究人员采用了多方面的研究方法，将野外观察研究与实验室控制实验相结合。在长期实验室水螅培养方面，水螅（Hydra vulgaris (AEP)）在营养缺乏水（ND - 水，0.28 mM CaCl2、0.33 mM MgSO4、0.5 mM NaHCO3和 0.08 mM KCO3）中，于 18°C、12 h 光暗循环的条件下按照标准程序培养。
在暴露实验中，进行了野外和实验室两组实验。野外实验时，将实验室培养的水螅息肉转移到不同营养水平的自然湖泊（包括三个中营养湖泊和三个富营养湖泊）中，为期 7 天，每个样本 15 个息肉，置于 50 mL 离心管，开口用纱布密封，部署在 30 cm 水深处，分别在 1、4、7 天取样。实验室实验则是在 18°C、12 h 光暗循环条件下，将水螅暴露于从不同湖泊采集并过滤的湖水，每个样本 5 个息肉，同样在 1、4、7 天取样。
为测试湖水化学环境对水螅微生物群落组成的影响，将湖水过滤去除细菌和噬菌体后，让水螅暴露其中 7 天。在营养操作实验中，通过向 ND - 水中添加蛋白质源（P + ，0.05 mg/mL 蛋白胨）或复杂营养源（C ++ ，0.3 mg/mL 细菌培养基 R2A），测试营养物质对水螅宿主 - 微生物稳态的影响，同时设置无菌（GF）和野生型（wt）水螅作为对照。疾病症状评估通过测量水螅触手长度和症状分级来进行。
此外，还进行了多种实验。在种群生长实验中，将水螅单独转移到含 0.03 mg/mL R2A 的六孔板中，通过计数芽的产生来评估种群生长。Biolog 实验中，1152 只水螅在暴露于 Biolog 板前，先在无菌 ND - 水中培养 3 天，然后暴露 48 h 后取样。在重新定殖实验中，用 Pseudomonas alcaligenes T3 对无菌水螅进行单一定殖，然后分别暴露于 L - 精氨酸或 ND - 水，观察疾病发展。
微生物群落分析通过提取水螅匀浆中的 DNA，对 16S rRNA 基因的 V1 - V2 可变区进行扩增测序，使用特定引物和 PCR 条件，测序后的数据用 MOTHUR 软件包分析。同时，对 Pseudomonas alcaligenes T3 进行基因组测序和注释，构建系统发育树。水螅 RNA 提取后进行 RNA - seq 和数据分析，细菌 RNA - seq 则是在 Pseudomonas alcaligenes T3 暴露于 ND - 水或 L - 精氨酸 12 h 后进行。
研究结果
- 环境对微生物群落组成的强烈影响：将实验室培养的水螅暴露于不同湖泊环境（野外和实验室控制条件下）7 天，发现其相关微生物群落组成发生了显著变化。16S rRNA 基因测序分析显示，实验室条件下暴露于湖水的水螅，其微生物群落有明显改变，野外条件下这种变化更明显。研究重点关注的常驻微生物群，其相对丰度随时间显著下降，7 天后在实验室培养条件下降至约 80%，在野外降至约 40%。通过计算排除新微生物殖民者后发现，常驻微生物群自身在湖泊环境中也发生了组成变化，一些细菌（如 Curvibacter 和 Legionella）的丰度下降，而另一些（如 Limnobacter 和 Nevskia）则显著增加。
- 化学环境诱导常驻微生物群的变化：去除湖水中的微生物，仅让水螅暴露于不同湖泊环境的水化学条件下，结果表明，即使没有新的微生物殖民者，常驻微生物群的组成也会受到湖水化学环境的影响。湖水中的营养物质对微生物群落组成影响显著，不同湖泊水的营养成分差异（如溶解有机碳（DOC）和磷酸盐浓度）与微生物群落组成的变化相关。例如，Acidovorax 和 Xylophilus 的丰度与 DOC 水平呈正相关，而 Rhodoferax 和 Flectobacillus 与总磷酸盐量呈正相关。此外，营养物质的影响不仅体现在数量上，还体现在营养成分的比例上，如 C:N 和 C:P 比与特定微生物种群的增减相关。
- 营养水平升高诱导菌群失调和疾病发展：在没有新微生物殖民者的情况下，将实验室培养的水螅暴露于两种不同的营养方案（P + 和 C ++ ），发现微生物群落组成发生改变，Curvibacter 的相对丰度显著下降，而 Pseudomonas、Duganella 和 Rheinheimera 等先前代表性不足的微生物增加。同时，水螅出现疾病表型，触手缩短，这种现象仅在有水螅微生物组存在时出现，无菌水螅在营养丰富环境中触手长度无明显变化。降低营养浓度（C + ，30 mg/L，对应富营养化湖泊环境的溶解有机负荷）虽未诱导明显疾病症状，但影响了水螅的种群生长，且微生物群落也发生了变化，水螅种群生长率与 Curvibacter 和 Legionella 的丰度呈正相关，与 Pseudomonas 的丰度呈负相关。
- 微生物群落组成的化合物特异性变化：为深入了解单个化合物对微生物群落组成的影响，研究人员让水螅暴露于 Biolog 板中的一系列不同物质。结果发现，微生物群落出现了两种不同状态，一种以 Curvibacter 为主，另一种以 Pseudomonas 为主。Curvibacter 在不同化合物存在下丰度波动明显，如在 γ - 氨基丁酸存在时相对丰度可达 60%，在 L - 瓜氨酸中则降至不到 5%。Pseudomonas 在营养缺乏水中通常占微生物群的不到 10%，但在水螅暴露于氨基酸 L - 精氨酸时，其相对丰度显著增加至 74%。
- 体内产生的有害感染：
- 营养环境变化使共生体转变为致病体：在所有实验中，疾病发展和种群生长减少都与 Pseudomonas 相对丰度的增加有关。为进一步探究机制，研究人员用 Pseudomonas alcaligenes T3 对水螅进行单一定殖，并暴露于 L - 精氨酸。结果水螅出现明显疾病表型，包括触手收缩、聚集、身体长度缩短，最终溶解，而暴露于营养缺乏水的单一定殖水螅和无菌水螅未出现该症状。在疾病进展过程中，Pseudomonas 的丰度在触手开始解体前保持稳定，之后增加 100 倍。转录组分析显示，在营养缺乏水中，P. alcaligenes T3 定殖对水螅转录水平影响较小，但在 L - 精氨酸存在下，水螅的凋亡、坏死和免疫反应相关基因表达发生显著变化。
- L - 精氨酸诱导 Pseudomonas 从非致病状态转变为致病状态：补充 L - 精氨酸导致 P. alcaligenes T3 的转录谱发生显著改变，与铁获取相关的基因上调，包括吡咯菌素生物合成和转运系统、血红素载体 HasA 等。同时，I 型和 IV 型分泌系统的表达上调，伴随毒力因子（如 DING 蛋白、PstS、溶血素、RTX 毒素和天青蛋白）的产生增加。
- 水螅疾病发作时的转录变化：水螅在暴露于 L - 精氨酸 24 h 后，触手开始收缩，此时转录分析显示，与无菌水螅在 L - 精氨酸中的情况相比，P. alcaligenes T3 单一定殖的水螅中，凋亡、坏死和免疫反应相关基因有大量差异表达，包括白细胞介素和丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）途径中的一些基因上调，同时也有抑制促炎介质释放的基因（如 ADRB2）和具有抗凋亡活性的小热休克蛋白基因（如 CRYAB）表达增加。
讨论
- 生物和非生物因素共同塑造宿主相关微生物群落：本研究结果表明，宿主相关微生物群落的组成受生物和非生物因素的共同影响。先前研究发现水螅息肉的宿主 - 微生物群多样性与采样位置密切相关，本研究中实验室培养的水螅暴露于不同湖泊环境后，微生物群落组成发生明显变化，这表明环境在微生物群落组装过程中起着重要作用。类似的，人类在抗生素治疗或长期暴露于无菌环境后，微生物多样性也会降低，这与水螅在营养缺乏环境中培养后微生物群落的变化相似。当水螅暴露于不同湖泊环境时，营养物质的变化产生了新的选择压力，打破了原有的宿主 - 微生物相互作用平衡，导致新的微生物定植和群落组成变化。这一结果挑战了宿主特异性微生物群落仅由宿主免疫调节和维持的观点，表明环境对微生物群落的影响深远。
此外，研究还发现环境中的营养物质可以影响宿主相关微生物的生长，改变 C:N 和 C:P 比会导致特定微生物种群的增减。在珊瑚礁生态系统中，营养富集与珊瑚疾病相关，本研究在水螅中也观察到了类似现象，营养暴露导致水螅微生物群落变化并引发疾病，同时影响其种群生长。这些发现为通过饮食调节微生物组提供了理论依据。
- 体内产生的有害感染机制：L - 精氨酸是宿主生物中的一种条件必需氨基酸，在许多生物学过程中发挥关键作用，包括细胞分裂、伤口愈合、氨解毒和免疫功能等，它还是一氧化氮合成的前体，具有抗菌作用。然而，关于 L - 精氨酸代谢变化对微生物致病性的影响，此前研究较少。本研究中，水螅单一定殖 Pseudomonas alcaligenes T3 并暴露于 L - 精氨酸后才出现疾病症状，表明 L - 精氨酸本身对水螅无害，但可能促进了 Pseudomonas 与宿主之间的致病相互作用。
在哺乳动物中，L - 精氨酸在维持肠道微生物群和解决炎症或感染过程中起着重要作用，缺乏 L - 精氨酸会延长细菌感染和慢性炎症。在本研究中，L - 精氨酸使 Pseudomonas 从非致病状态转变为致病状态，这一转变通过毒力相关分泌系统和毒力因子的上调得以证实。基于转录变化和铁获取基因的表达，研究人员推测 L - 精氨酸导致 P. alcaligenes T3 营养失衡，使其从环境中摄取铁和磷酸盐，进而产生对水螅有害的代谢产物和毒素，打破了宿主 - 细菌的平衡，使微生物从共生状态转变为致病状态，这符合 “致病潜力”（pathogenic potential，PP）概念，即所有微生物都具有一定的致病潜力，在特定条件下都可能引发疾病。
同时，水螅在疾病发作时，白细胞介素和 MAPK 途径的上调可能有助于组织再生，以应对 Pseudomonas 诱导的组织降解。此外，一些抑制促炎介质释放的基因和具有抗凋亡活性的基因表达增加，这些补偿反应可能是水螅为抵抗 Pseudomonas 诱导的凋亡而做出的努力，但也可能导致资源重新分配，表现为息肉收缩，这是疾病发展的一种后果。
综上所述，本研究强调了宿主微生物组与环境之间的紧密联系。为全面理解生物体健康，需要监测生态系统层面环境与宿主之间的微生物流动。同时，研究结果为 “致病潜力” 概念提供了实证支持，表明在特定条件下，共生体可以转变为致命的致病体，这对传统的致病微生物和非致病微生物的区分提出了挑战。
