新观点:宿主对微生物“进化成瘾”


  发布日期: 2023年12月02日

  来源:Trends in Microbiology

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新观点:宿主对微生物“进化成瘾”

进化生态学家Tobin Hammer在一篇同行评议的文章中挑战了微生物有益的传统观点,他认为宿主可能并不总是从微生物中受益。相反,他们可能会进化地对它们上瘾,这个概念被称为“进化成瘾”或“进化依赖”。这一理论将宿主对微生物的依赖比作一种成瘾形式,对理解宿主-微生物相互作用的进化和稳定性具有重要意义。Hammer认为,这一观点可以帮助预测微生物生物多样性丧失的影响,并强调需要在这一领域进行进一步研究。

我们早就知道,宿主在没有微生物组的情况下会出现故障,这可能是由于缺乏某些微生物物种或完全没有微生物而发生的。这种现象通常归因于微生物所发挥的基本和有益的功能。然而,加州大学欧文分校的进化生态学家Tobin Hammer对这一观点提出了挑战。

重新思考微生物的益处

在最近发表在《Trends in Microbiology》杂志上的一篇同行评议的观点文章中,Hammer认为,在某些情况下,微生物可能实际上并没有帮助它们的宿主;相反,没有微生物的宿主可能会出现故障,因为它们已经进化出了对微生物的依赖。在这种情况下,宿主依赖微生物来发挥作用,但微生物实际上并没有提供任何好处作为回报。

进化成瘾有时也被称为“进化依赖”,它可能发生在任何宿主系统中——从人类的肠道到植物的根,再到宿主其他微生物的微生物。Hammer将其比作自己对咖啡的依赖。

“我需要咖啡来完成基本的功能,但我现在的表现并不比上瘾之前好多少;我需要咖啡来恢复正常,”Hammer写道。“同样的过程也可能发生在宿主-微生物共生中:一种依赖在功能没有改善的情况下进化。”

共生关系中的微生物依赖

虽然进化成瘾的概念已经在其他共生关系的背景下被讨论过,例如,草食动物和植物以及寄生虫和它们的宿主,但很少在微生物组的背景下被考虑。Hammer认为在解释微生物去除实验时应该考虑进化成瘾,因为它可能对宿主-微生物相互作用的进化和稳定性有独特的影响。

Hammer写道:“由于在很大程度上忽视了进化成瘾,微生物组学领域错过了对微生物依赖性宿主特征的合理且可能的共同进化解释。宿主生物是一个复杂的、内部相互连接的系统,如果没有微生物融入其中,就像机器上的齿轮一样,将导致部件故障。”

进化成瘾的机制

有几种可能的方式使宿主在进化上对微生物上瘾。在一种途径中,宿主在微生物存在的情况下适应和发挥作用,并在此过程中依赖微生物。这一途径可以解释哺乳动物的免疫系统是如何依赖于肠道微生物的:如果宿主在共生关系的早期阶段经历炎症,以及获得益处,那么它可能会被选择具有较不敏感的免疫反应。通过这种方式,我们的免疫系统已经被校准为在微生物存在的情况下发挥作用,因此它们的缺失会导致免疫功能障碍。

或者,宿主物种可能会对具有与现有宿主特征相似功能的微生物上瘾。在这种情况下,宿主保留这种特性的选择压力较小,因此宿主最终失去了这种特性,转而依赖微生物。进化成瘾的一个例子是小黄蜂,它长期感染了细菌内共生沃尔巴克氏体,需要细菌才能产卵。其他没有长期感染沃尔巴克氏体的Asobara物种不需要细菌来产卵,并且tabida不具有因沃尔巴克氏体而提高的产卵能力;有了细菌,它就恢复了基本功能。

成瘾与利益共存

Hammer指出,进化成瘾和失去益处并不是相互排斥的,在一些宿主-微生物对的情况下,两种机制都可能起作用。“一个过程可能会引发另一个过程,”Hammer写道。“提供适应功能的微生物可以在宿主之间传播,促进随后的依赖性进化。”

了解宿主是受益于它们的微生物,还是进化上对它们上瘾,可以帮助我们预测微生物生物多样性丧失的后果。进化成瘾在某些情况下可能是可逆的,如果宿主能够通过种群内的遗传变异或新的突变来适应重新获得失去的功能。相反,如果没有微生物的寄主由于失去益处而出现故障——例如,植物寄主依赖根瘤菌来固定氮,这是一种必需的营养物质——那么植物就不太可能适应失去这些微生物,因为没有植物能够独立固定氮。Hammer指出,需要做更多的工作来验证这一假设。

“当我们考虑到长期相关的微生物共生体的破坏时,可逆性很重要,”Hammer写道。“在没有微生物的情况下,进化能够拯救哪些特征,哪些宿主?”

参考文献:Why do hosts malfunction without microbes? Missing benefits versus evolutionary addiction” by Tobin J. Hammer, 29 August 2023, Trends in Microbiology.

 

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