Cell子刊：肠道菌菌株之间的“明争暗斗”

抗生素耐药性质粒可以在肠道中不同肠杆菌科之间传播。本期经典文献解读，为大家带来发表在Cell Host and Microbe上的研究成果，探索具有相似营养需求的肠杆菌科沙门氏菌群如何在同一肠道中共同繁殖及质粒转移。

期刊：Cell Host Microbe                    

影响因子：30.3

发表时间：2023年7月

一、研究方法及思路

1、实验对象：鼠伤寒沙门氏菌的不同菌株（S.Tm-A: SL1344，S.Tm-B: ATCC14028），沙门氏菌病小鼠模型。

2、实验现象：S.Tm-A可以在S.Tm-B定植的肠道里繁殖，分析S.Tm-A与S.Tm-B碳代谢通路差异，分析了小鼠盲肠组织和肠系膜淋巴结中携带质粒的沙门氏菌数量。

3、科学问题：

 ①S.Tm-A利用半乳糖醇作为替代碳源得以共存，其他糖是否有相同的功效？

 ②该现象在沙门氏菌的其他菌株中是否存在？

 ③在复杂微生物环境中，是否有此效应？

图1 研究思路

二、主要研究成果

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不同的S.Tm菌株共感染可以促进质粒转移

为研究菌株水平差异在细菌共存和质粒转移中的作用，用两种相同或不相同的S.Tm菌株(供体和受体)感染小鼠(图1A)，发现使用非相同菌株组成的供体:受体对时，质粒转移能力更强(图1B)。感染不同菌株可提高质粒的转移能力，受体可以在高密度供体存在下从低数量繁殖。

为研究共定植现象，分别用S.Tm-A、S.Tm-B感染预先定植S.Tm-A的小鼠。发现当小鼠被相同菌株感染时，丰度低的菌株不能在小鼠肠道中繁殖(图1E)。相反，在非相同菌株对中，丰度较低的菌株能够显著扩张(图1F)。菌株水平的差异使得第二个S.Tm菌可以在小鼠肠道繁殖，从而促进沙门菌菌株之间的抗生素耐药质粒转移。

图2  两种不同的S.Tm菌株感染小鼠会导促进质粒转移

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S.Tm-A和S.Tm-B和碳代能力不同

BLAST两种菌的基因组与质粒序列。染色体高度同源(图2A)，重点关注非同源部分，观察到与碳代谢有关的基因存在差异(图2B)。

图3 S.Tm-A和S.Tm-B利用碳源的代谢能力不同

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菌株特异性利用不同的碳源使得两种菌可以共存

利用半乳糖醇作为碳源是肠杆菌科菌株特异性特征。使用半乳糖基因缺失的突变体S.Tm-A（S.Tm-A DgatABC）验证，发现S.Tm-A可以利用半乳糖醇作为碳源，同样的实验证明S.Tm-B不可以。在S.Tm-B定植的肠道中，S.Tm-A可以繁殖，S.Tm-A DgatABC不能；没有S.Tm-B定植的肠道中，两者都可以繁殖。说明半乳糖醇是一种环境依赖性碳源，只有在生态位被具有相似代谢能力的菌株占据的条件下，半乳糖醇才会被首选。S.Tm-A利用半乳糖醇作为替代碳源得以共存。

图4 利用半乳糖醇作为碳源，使得S.Tm-A能够在S.Tm-B定植的小鼠肠道中繁殖

进一步的实验证明，在饮食中添加一种只能被少数S.Tm菌株使用的独特碳源，会促进该菌株在肠道中（被无法利用该碳源的菌定植）扩张。

图5 添加独特的碳源帮助利用者扩张

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添加独特的碳源可促进质粒的转移

用大量S.Tm-B侵染被S.Tm-A定植的小鼠，在小鼠饮用水中含有1%半乳糖醇，可明显促进质粒的转移（图5A-D）。

将供体换成大肠杆菌，可以得出相同的结论（图5E-G）。将碳源换成阿拉伯糖，可以得出相同的结论（图5H-J）。说明菌株特异性地利用一种独特的碳源(半乳糖醇或阿拉伯糖)不仅使两种S.Tm菌株能够高密度共存，而且还可以促进肠道中抗生素耐药质粒的转移。这一效应可推广到其他肠杆菌（如大肠杆菌）。

图6 不同的碳源可促进质粒的转移

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在特定微生物群中，半乳糖醇同样促进两种S.Tm菌株的共存及质粒转移

进一步探究在自然感染中，微生物群的存在是否会影响菌的共生以及质粒的转移。实验证明在稳定定植有特定微生物群 (OligoMM12) 的小鼠中，补充半乳糖醇同样促进两种 S.Tm 菌株的共存并促进质粒转移（图6）。

图7  特定微生物群中，半乳糖醇同样促进两种 S.Tm 菌株的共存及质粒转移

三、实验结论

1、菌株特异性使离散的沙门氏菌菌株能够在小鼠肠道中共同繁殖，且在与其他菌株共殖期间，可以利用半乳糖醇或阿拉伯糖；

2、单碳的使用促进了不同肠杆菌科菌株之间的质粒转移，且碳代谢利用差异的肠杆菌科菌群能够在肠道内共生；

3、使用独特碳源可促进抗生素耐药性质粒在小鼠肠道中的转移，碳代谢能力可能是控制抗生素耐药性质粒在肠道中传播的潜在靶标。

阅读原文

Differences in carbon metabolic capacity fuel coexistence and plasmid transfer between Salmonella strains in the mouse gut.Cell Host & Microbe,2023