最后的告别:微生态揭示饥饿的秘密

它们,在等待着

动物,人类和植物的表面及腔道为微生物提供了提供了栖息的环境,当这些宿主死亡的时候,这些微生物不可避免的会发生瞬时剧烈的变化。因为一些与宿主相关的微生物主要是从死亡的微生物获得有机物质,这种灵活、适应性强的生活方式在宿主相关的微生物之间分布广泛。

这篇文章调查了甲壳纲的浮游生物水蚤在饥饿致死过程中(接近死亡,死亡,消亡)与其相关的微生物群落的动态变化。营专性寄生的微生物在宿主死亡后也消亡,分解者在宿主死亡后才大量的增加。这篇文章也监测了一些营机会主义微生物的生活方式,这些微生物在宿主甚至没有死亡之间已经开始利用微生物。在宿主死亡的这一段时期,关于宿主和相关微生物的研究,对微生物的进化具有重要的作用。

多细胞真核生物为微生物提供了栖息的场所(皮肤和腔肠),这些栖息场所可能是暂时的因为宿主的生命周期是有限的,当宿主死亡后这些微生物必须扩散到新的宿主。之前的很多研究主要集中在营专性寄生、营腐生微生物的组成和动态变化。但是有一种在宿主死之前就已经存在,宿主死之后又开始大量繁殖的机会主义微生物还没有被很好的研究。

机会主义者不但有可能从那些突然死亡的宿主获利,而且有可能从那些快死的宿主(饥饿,衰老,病死)中获利。在垂死宿主的重要机能(免疫系统,资源利用水平)破坏时,这些微生物可以增长繁殖。为了研究这一类微生物,这篇文章调查了宿主死亡前后这类微生物的动态变化。

具体的物种:
Microbial community composition


实验设计

这篇文章使用的宿主是甲壳纲的浮游生物水蚤,然后研究了这种动物在受到饥饿后死亡和消亡的过程。采用饥饿这种非介入式的死亡方式是为了研究在宿主的重要生理机能消亡过程中是否有一些机会主义的微生物出现(这个过程中机会主义的微生物的丰度会增加)。
比较了挨饿的动物和正常喂养的动物,并在饥饿实验开始后将实验动物和外界环境隔离。

在一个营养丰富的池塘收集水蚤取样,水蚤的食物藻类和相关介质也被带回实验室,但是不经过灭菌处理。将水蚤放置于1.5L的广口瓶种饲养,每天生产的后代都被单独移出,每隔3个周,随机选择60只雌性动物被放到新的广口瓶中,将水蚤母亲和产生的后代隔离。当所有水蚤后代都四天时将308个水蚤放到灭菌的广口瓶中,用ADaM 进行不育处理,并随机选择154个分别接受饥饿和喂养实验。在分组之前随机选择3个年龄4天的动物进行取样作为t0,。每隔12h随机选择5个喂养的动物,5个挨饿的动物进行取样。挨饿组死亡的动物也被随机分配在规定的时间内进行取样。

结果

饥饿实验 平均死亡时间是4.5天
最后选择的样品 是3个处理前的动物,27个喂养的动物,33个挨饿的动物,以及27个挨饿致死的动物
测序结果 以97%相似性聚类获得556个OUT,每个样品都被稀释到15,390条reads.
经过丰度过滤之后(在至少6个样品中出现,丰度占整个reads的0.5%之上)还剩19个OTU

时间的零点表示的是开始干预之前,第5天表示的死亡的点。
这是OUT的相对丰度随时间的变化,喂养的动物,挨饿的动物,和死亡的动物中相关微生物的变化曲线。95%的置信区间

  • 每个点至少3个样品
  • OUT的选择标准,在至少6个样品中出现,丰度占整个reads的0.5%之上
  • OUT的相对丰度经过了处理relativ fi g e abundance (rare ed, lo 10(x+2))

Firmicutes 常分解脊椎动物尸体的厚壁菌门并没有出现,
按OUT随时间的动态变化将这些OTU分配到不同的组
作者也指出了这种分组的模式有待商榷,但是可以为微生物的生活模式提供一些指导
Although this categorization is not absolute and is subject to debate, it illustrates the marked diversity of the OTUs and highlights that their dynamics can provide functional clues about their different lifestyles

群落组成和多样性

Double Principal Coordinate Analysis (DPCoA

phyloseq包的DPCoA函数
不同的颜色代表不同的时间
喂养的动物样品之间呈舒展聚类,随时间的变化过程种,差异不大
而垂死和死亡的动物的样品点之间变化比较显著
而垂死和死亡动物样品之间的变差要大于 喂养动物

讨论

这篇文章主要研究了宿主接近死亡,死亡,还有消亡整个生命过程中微生物丰度的动态变化。在挨饿的动物和喂养的动物之间,微生物的alpha多样性并没有发生大的变化,但是动物死亡之后多样性减少。
其后主要介绍了营专性寄生的微生物和营专性腐生的微生物,以及之前很少研究的介于两者之间的机会主义的微生物。这种微生物在宿主死亡之前数量就开始增长。

由于这种机会主义的微生物和分解者在健康的宿主中已经出现,作者也提出了一种sit-and-wait (SAW) 的模式。这些机会主义的微生物独立定植在活着的宿主上,在等待时期保持一种不活跃的状态,但是当宿主有死亡的迹象时,这种微生物丰度会升高。这种模式就要比在自然界中独立生存的分解者具有时间上的优势。

文章最后也讨论了物种之间的关系,包括共生,互利共生,寄生。文章提出假设时只考虑了微生物和宿主这两者之间的关系,没有考虑到微生物和微生物之间,以及微生物和变化环境之间的关系。但是这些分类的提出也是为以后的研究提供了一种有意义的假说。

这篇文章提出了微生物生态领域和共生进化领域多个令人兴奋的问题,包括多个维度包括共生,寄生和腐生的生活方式。宿主死亡后产生的有机质可以作为腐生微生物的的食物,这样长期的选择也驯化了微生物和宿主之间的关系,不止包扩腐生关系,也包括寄生的关系。这篇文章的结果显示,微生物和宿主之间的关系不知包括传统的腐生和寄生关系,还有介于两者之间的关系。这种机会主义的微生物在生命周期种具有变化寄生和腐生生活的能力。

1、微生物群的不能简单的归为共生群或腐生群,而是共生到腐生的过渡
2、某些微生物群技能能够在宿主死亡前后都有生存,机会主义者比较常见
3、决定宿主微生物生态结构和进化的重要因素是宿主死亡周期(period around host death)

批判思维
  • 1 提出了新颖的假说,并获得了实验的支持,对多种因素进行了解释,具有一定的理论意义。
  • 2 想要证明这种假说证据不是很充足,测序的因素,数据转变的因素多种因素都会影响到OTU的趋势,文章中提到的只考虑了宿主和微生物之间的作用,没有考虑到微生物与微生物之间,以及微生物与环境之间的相互作用
参考文献

Temporal dynamics of microbiota before and after host death

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