枯草芽孢杆菌的生存博弈：开关式防御策略抵御原生生物捕食的机制与进化意义

本研究通过全基因组转座子筛选（Tn-seq）和自发突变进化实验，揭示了枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）在阿米巴捕食者盘基网柄菌（Dictyostelium discoideum）压力下的适应性防御机制。研究发现，细菌通过形成生物膜（biofilm）、丝状化（filamentation）和聚集体（aggregate）等“尺寸逃逸”策略避免被吞噬，且这些防御表型受Spo0A磷酸化级联通路和slrC/swrA相变（phase variation）等开关式调控机制控制，在生长与生存间存在显著代价权衡（trade-off）。该研究为土壤微生物食物网中的抗捕食进化提供了分子生态学见解。

　　

土壤细菌的生存之战：枯草芽孢杆菌应对原生生物捕食的开关式适应策略

土壤中的单细胞真核捕食者是细菌死亡的主要原因，然而大多数土壤细菌的功能基因组研究是在无捕食条件下进行的，这导致我们对细菌基因组的进化驱动因素存在认知偏差。本研究以枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）及其天然捕食者盘基网柄菌（Dictyostelium discoideum）为模型系统，通过全基因组规模的突变筛选和从头进化实验，揭示了细菌在捕食压力下的适应机制及其调控原理。

捕食压力下的遗传适应机制

研究首先通过转座子插入突变库（约2×10⁵个突变体）在两种不同营养条件下（贫营养悬浮NP与富营养平板NR）进行筛选。结果表明，捕食压力显著改变了突变体的富集模式：在悬浮条件下，与鞭毛形成和运动性相关的基因（如sigD、fliK、flgE）被富集；而在平板条件下，与生物膜形成（如tapA、sinR、slrC）、细胞分裂（如divIVA、minJ）和细胞包膜生物合成（如pgpB、yodL）相关的突变体表现出强烈选择优势。这些突变体通过形成丝状体或聚集体，使细胞尺寸超过捕食者的吞噬能力上限，从而避免被摄取。

自发突变进化的三大路径

通过暴露枯草芽孢杆菌168株和NCIB 3610株于高强度捕食环境，研究发现抵抗性菌落可在10天内迅速出现。对35个抵抗菌落的基因组测序显示，42个突变中有超过65%集中在三个基因上：sinR（29%）、divIVA（26%）和slrC（11%）。这些突变分别通过激活生物膜形成、干扰细胞分裂或解除SlrA对SinR的抑制来诱导抵抗表型。此外，也发现了此前未报道的与抗捕食相关的突变，如lexA（调控SOS反应）和ftsZ（细胞分裂关键蛋白），它们同样通过引起丝状化增强抵抗能力。

生长与生存的代价权衡

竞争实验表明，所有抗性突变体在无捕食条件下均表现出生长劣势，而在捕食存在时则具有显著选择优势。例如，ΔsinR和ΔslrC突变体通过激活生物膜形成提高生存率，但代价是生长速率下降；相反，ΔsinI和ΔslrA突变体通过增强SinR的抑制活性降低生物膜形成，从而在无捕食条件下获得生长优势，但在捕食环境中更易被清除。这一结果表明，枯草芽孢杆菌野生型种群实际上处于一种“部分敏感-部分抵抗”的平衡状态，以应对波动的捕食压力。

开关式调控与相变异机制

研究进一步揭示了两种开关式调控机制：一种是表型开关，依赖于Spo0A磷酸化级联反应。Spo0A作为关键转录调节因子，可整合群体感应信号和环境胁迫信息，同步激活生物膜形成、丝状化和孢子生成等防御表型。另一种是基因型开关，即通过slrC和swrA基因中的多聚腺嘌呤重复序列（8-mer repeats）介导的相变异（phase variation）。这些重复序列可通过滑链错配导致移码突变，使基因失活，从而使种群中始终存在一定比例的抵抗型细胞。这种“赌注对冲”（bet-hedging）策略确保了种群在不可预测的捕食事件中的生存能力。

生态与进化意义

本研究强调，原生生物捕食是土壤微生物群落中重要的进化驱动力，其通过强选择压力（种群瓶颈可达99.99%）推动细菌向多细胞性表型进化。开关式适应策略不仅解决了生长与生存之间的权衡问题，也揭示了细菌在复杂生态环境中维持种群多样性的机制。此外，Spo0A通路在调控多种防御表型中的核心作用表明，其古老功能可能正是为了协调对抗捕食的响应。

总结而言，这项研究从基因组尺度揭示了枯草芽孢杆菌应对原生生物捕食的多样防御机制，强调了生态互作在细菌进化中的重要性，为理解微生物食物网中的适应与进化提供了新的理论和实验基础。