《Frontiers in Bioinformatics》：Microbial communication networks governing the ecosystem dynamics of Salmonella in poultry environments: ecological interactions, colonization resistance, and emerging control strategies
编辑推荐：
沙门氏菌（Salmonella）仍然是家禽相关的主要食源性病原体之一，对全球动物健康、食品安全和公共卫生构成重大挑战。传统控制策略主要集中于通过抗菌剂、生物安全措施和疫苗接种来消除病原体；然而，越来越多的证据表明，沙门氏菌的持续存在受到复杂微生物生态系统内相互
沙门氏菌（Salmonella）仍然是家禽相关的主要食源性病原体之一，对全球动物健康、食品安全和公共卫生构成重大挑战。传统控制策略主要集中于通过抗菌剂、生物安全措施和疫苗接种来消除病原体；然而，越来越多的证据表明，沙门氏菌的持续存在受到复杂微生物生态系统内相互作用的强烈影响。本综述综合了当前关于微生物通讯网络如何调控沙门氏菌在整个家禽生产系统中定植、持续存在和传播的知识。重点特别放在群体感应（quorum sensing）、代谢交叉喂养（metabolic cross-feeding）、竞争性排斥（competitive exclusion）、跨界信号传导（interkingdom signaling）、生物膜相关相互作用（biofilm-associated interactions）以及在肠道、垫料、水系统和其他环境储库中发生的生态通讯。近期研究表明，微生物群落结构和功能通过协调的信号通路和间接生态相互作用影响病原体行为，这些作用共同决定了定植抗性和生态系统韧性。新兴的微生物组工程方法，包括定义的微生物联合体（defined microbial consortia）、益生元（prebiotics）、益生菌（probiotics）、群体感应抑制剂（quorum-sensing inhibitors）和生态网络操纵（ecological network manipulation），为传统的病原体导向干预提供了有前景的替代方案。将微生物生态学与多组学技术（multi-omics technologies）和系统生物学（systems biology）相结合，有望推动基于精准微生物组的可持续沙门氏菌控制策略的发展。将沙门氏菌视为相互连接的微生物通讯网络中的参与者而非孤立的病原体，为开发创新干预措施提供了一个概念框架，以改善家禽健康、加强食品安全并支持“一体化健康”（One Health）目标。
1 引言
沙门氏菌是全球主要的细菌性食源性病原体，家禽是其最重要的储库和向人类传播的载体。尽管在生物安全、疫苗、竞争性排斥（CE）、饲料添加剂和抗菌干预方面取得了显著进展，沙门氏菌仍在家禽生产的全链条中持续存在。这种持续的定植表明，沙门氏菌的成功不仅依赖于其内在毒力属性，还取决于其与复杂微生物生态系统相互作用和适应的能力。传统研究主要关注病原体毒力机制、宿主免疫和直接抗菌策略，但常将病原体孤立看待。近期微生物生态学的进展表明，家禽肠道及相关生产环境作为高度互联的生态系统运作，其中微生物相互作用共同决定病原体的适应性、定植抗性和生态系统稳定性。因此，理解沙门氏菌生态学需要从以病原体为中心的观点转向基于系统的微生物通讯网络视角。微生物通讯涵盖广泛的生物相互作用，包括细胞间信号传导、代谢物交换、营养竞争、交叉喂养、细菌素产生、生物膜形成以及微生物与宿主之间的跨界信号传导。群体感应（QS）是通过扩散性信号分子（如自诱导剂）使细菌种群根据细胞密度协调基因表达的最佳表征形式之一。同样重要的是间接生态相互作用，非病原微生物改变营养可用性、代谢物组成或环境条件，进而影响沙门氏菌的行为。近期证据表明，这些间接相互作用可能比直接拮抗具有更大的生态意义，为通过操纵微生物网络而非消除单个病原体来实现可持续病原体控制提供了新机遇。
2 家禽微生物生态系统作为通讯网络
家禽生产系统由一系列相互连接的微生物生态系统组成，共同影响沙门氏菌的建立、持久和传播。盲肠是沙门氏菌定植的主要生态位，因其高微生物密度和代谢多样性而成为关键区域。盲肠微生物群作为一个交互式通讯网络运作，微生物在其中交换营养物质、代谢物、信号分子和抗菌化合物，共同调节生态系统稳定性。定植抗性是韧性微生物生态系统的定义特征之一，即已建立的微生物群落通过多种互补机制阻止外源病原体入侵。来自野鸡的定义细菌群落显著减少了沙门氏菌定植，同时改善了肠道健康，证明了协调的群落功能而非单个细菌种类决定了病原体排除。家禽垫料充当连接连续批次的、重要的环境通讯网络。重复使用的垫料含有高度多样化的微生物种群，其组成随水分、pH值、氨浓度和管理实践而变化，产生影响沙门氏菌持久性的生态条件。供水系统提供了另一个重要的微生物栖息地，饮水线内形成的生物膜包含嵌入胞外聚合物基质中的结构化微生物群落，促进代谢合作、应激耐受和细胞间通讯。孵化场构成了另一个关键的生态界面，早期生活中建立的微生物群落可能影响随后对沙门氏菌的抗性或易感性。沙门氏菌的环境持久性也依赖于农场设备、加工表面和环境基质上发展的多物种生物膜内的通讯。微生物生态系统进一步以生态韧性为特征，即尽管存在环境干扰，群落功能仍得以维持。近期生态理论提出，病原体行为通常受非病原微生物之间的间接相互作用调控，而非直接的病原体间竞争。
3 调控沙门氏菌行为的微生物通讯机制
影响家禽相关生态系统中沙门氏菌行为的微生物过程可根据其机制进行区分。专用信号系统包括群体感应和跨界信号传导，涉及特定信号分子的产生或检测，触发调控反应。LuxS介导的自诱导剂-2（AI-2）系统是沙门氏菌中主要的微生物通讯途径，不仅促进沙门氏菌细胞间的通讯，也促进系统发育不同的细菌物种之间的交流。此外，沙门氏菌通过传感器激酶系统（如QseC）响应自诱导剂-3（AI-3）和宿主来源的儿茶酚胺，实现跨界信号传导。群体感应在生物膜发展中发挥核心作用，生物膜是高度组织的多细胞结构，其中信号分子高浓度积累，促进同步反应，增强对消毒剂、干燥、氧化应激和抗菌剂的耐受性。对微生物通讯途径重要性的认识激发了人们对群体淬灭策略的兴趣，这些策略通过降解自诱导剂或阻断受体激活来干扰信号通路，从而减少生物膜形成和毒力表达。代谢交叉喂养通过改变生化环境影响沙门氏菌，微生物种群持续交换短链脂肪酸（SCFAs）、氨基酸、维生素和有机酸等代谢物。丁酸盐和丙酸盐与降低的入侵基因表达和增强的定植抗性相关。细胞外囊泡和分泌的生物大分子在多微生物群落中促进微生物通讯，但在家禽相关微生物群落中对沙门氏菌的生态重要性尚不明确。环境修正是另一种间接生态过程，一种微生物种群改变物理化学或资源条件，进而影响另一种生物。水平基因转移（HGT）在概念上与微生物通讯不同，因为它涉及可遗传遗传物质的获取而非信号介导的行为调控。
4 塑造沙门氏菌定植和持久性的生态相互作用
沙门氏菌在家禽生产系统中的生态成功由其在与复杂微生物群落中建立自身的能力决定，而非仅由毒力因子决定。定植抗性是健康微生物群落最重要的生态功能之一，源于多种相互作用的机制，包括代谢竞争、细菌素产生、免疫调节、环境修饰和微生物信号传导。对限制性营养素的竞争构成影响沙门氏菌定植的主要生态压力。短链脂肪酸（SCFAs），特别是乙酸盐、丙酸盐和丁酸盐，是将微生物生态学与病原体调控联系起来的关键代谢介质。竞争性排斥（CE）提供了最早且最广泛研究的基于微生物群的沙门氏菌控制方法之一。直接拮抗和间接生态相互作用应根据抑制因子是直接作用于沙门氏菌还是改变周围生态位来区分。生态促进在某些条件下也可能影响病原体持久性。宿主免疫系统构成微生物生态网络的一个组成部分，对定植抗性有显著贡献。环境生态系统通过发生在宿主体外的生态相互作用也对沙门氏菌的持久性有重要贡献。微生物组调控策略为生态相互作用在病原体控制中的重要性提供了额外证据。
5 操纵微生物通讯网络以实现可持续的沙门氏菌控制
传统控制方法主要依赖抗生素、化学消毒剂和疫苗接种的直接病原体消除。对沙门氏菌在复杂微生物通讯网络中运作的认识日益加深，已将注意力转向基于生态系统的干预措施。竞争性排斥（CE）仍是家禽生产中生态操纵最成功的例子之一。益生元和合生元代表通过选择性刺激有益微生物种群及其代谢活性来操纵微生物通讯网络的补充方法。益生菌微生物也通过多种通讯途径发挥保护作用。破坏群体感应途径已成为另一种有前景的沙门氏菌生态控制策略。靶向生物膜相关通讯网络代表了另一种有吸引力的干预策略。噬菌体疗法提供了一种额外的基于生态系统的方法，选择性地靶向沙门氏菌，同时保留大部分周围微生物群。新兴证据表明，未来的微生物组工程应聚焦于关键种（keystone taxa）而非整体微生物多样性。人工智能、系统生物学和生态建模预计将进一步加速精准微生物组干预措施的发展。从“一体化健康”（One Health）的角度来看，基于生态系统的干预措施通过减少抗菌药物使用、限制抗菌素耐药性的选择以及增强整个家禽生产链的整体微生物稳定性，提供了优于病原体导向方法的显著优势。
6 未来展望
微生物生态学的最新进展已从根本上改变了我们对家禽中沙门氏菌定植的理解。未来研究应从描述性组成分析转向功能性通讯网络表征。整合多层生物学信息至统一生态框架仍是一项重大挑战。生态网络分析可能成为识别关键种（keystone taxa）的日益有价值的工具。理解微生物群落内的空间组织是另一重要研究优先事项。环境微生物组的作用也应得到更多关注。精准微生物组工程代表了未来可持续沙门氏菌控制最有前景的方向之一。群体感应抑制和生态调节为传统抗菌方法提供了有吸引力的替代方案。人工智能和计算生态学在解释微生物通讯网络复杂性方面预计将发挥越来越重要的作用。从“一体化健康”角度来看，基于生态系统的管理策略与减少抗菌药物使用的全球努力紧密契合。
7 结论
本综述综合的证据表明，家禽中沙门氏菌的生态学受复杂的微生物通讯网络支配，而非仅由病原体毒力决定，突显了生态系统层面相互作用在定植抗性和持久性中的核心作用。通过群体感应（QS）、代谢交叉喂养、间接生态相互作用、生物膜形成和宿主来源的信号分子进行的通讯共同调节病原体在胃肠道和环境储库中的定植、持久和传播。这些发现挑战了传统的以病原体为中心的范式，并支持更广泛的基于生态系统的观点。审查的证据表明，通过竞争性排斥（CE）培养物、定义微生物联合体、益生元、益生菌、群体感应抑制剂和微生物组工程恢复或操纵有益微生物网络，可以比仅依赖抗菌干预的方法更可持续地抑制沙门氏菌。多组学技术、生态网络分析和计算建模的进步预计将加速识别维持微生物稳定性的关键种（keystone taxa）和关键信号通路。未来的干预策略应优先考虑保护和工程化微生物生态系统功能，以增强家禽健康并减少食源性传播。采用这种对微生物通讯网络的系统级理解为精准微生物组管理以及在现代家禽生产系统中实现更有效、更可持续的沙门氏菌控制提供了有希望的途径。
