THOR将复杂的微生物群整合到一个模型中进行改进

2019-06-28 300细菌益生菌

“微生物群落控制着世界,”威斯康星大学麦迪逊分校威斯康辛发现研究所所长乔·汉德尔斯曼说。

“我说这话的时候,人们总是笑,”她补充道。“但这是真的。”

THOR将复杂的微生物群整合到一个模型中进行改进

人们希望益生菌改善肠道

我们对微生物群落及其对人类健康或作物生产力的影响有了丰富的新认识,从而实现了改变这些群落以产生效益的梦想。为了实现这个梦想,数以百万计的美国人现在服用益生菌,他们希望这种有益的微生物能改善他们的肠道。

但是,这些微生物群的巨大复杂性和弹性让研究人员无法确定如何产生可预测的、持久的、更好的变化。

THOR将复杂的微生物群整合到一个模型中进行改进

THOR的开发

汉德尔斯曼和她的合作者的新研究直接解决了这个问题。研究小组开发了一个名为THOR的群落,这是从大豆根部分离出来的三种细菌共同生长的。复杂的微生物群落共同发展出了单靠个体成员无法预测的新行为——它们形成了更坚硬的结构,被称为生物膜,改变了它们在环境中移动的方式,并控制了一种新型抗生素的释放。

THOR的三个成员都有一个测序的基因组,一系列的工具可以很容易地分离和一起研究细菌,这为解开像THOR等微生物群落的复杂性提供了机会。更好地了解这些微生物群落可以帮助科学家们找到改善它们的方法。

这项研究发表在3月5日的《mBio》杂志上。这项研究由汉德尔斯曼实验室博士后研究员加布里埃尔·洛扎诺领导,他与威斯康星大学麦迪逊分校植物病理学系、耶鲁大学和其他机构的同事们合作。

研究背景

THOR这个雷鸣般的名字源于这个群体的成员:根际搭便车者。几年前,汉德尔斯曼的实验室注意到,当从大豆根际(即根际)的微生物群中分离出常见的芽孢杆菌时,一些细菌也随之出现。这些搭便车的人只有在芽孢杆菌在寒冷的环境中生长数周后才会出现。

不同物种之间的紧密联系表明,它们可以作为一个模型群落,来测试当多个物种共享同一个空间时,复杂的特征会如何出现。研究人员从假单胞菌和黄杆菌中挑选了一些物种,与芽孢杆菌一起生长和研究。

研究内容

汉德尔斯曼说, THOR成员总共拥有约15000个基因,能够产生数千个小分子,在时间和空间上创造出“复杂的层次”。

单独生长时, THOR的假单胞菌会产生一层生物膜,这是一种保护细菌免受环境伤害的坚固结构。生物膜将药物植入物粘在一起,使细菌对抗生素产生抗药性。当索尔的三个成员一起生长时,这个群落产生的生物膜是单独生长时的两倍,而且生物膜比单独生长时存活的时间更长。

汉德尔斯曼说:“即使它们的种群很小,这些其他物种也会激起更大的生物膜。”

其他复杂的特征也出现在 THOR中。芽孢杆菌减少了假单胞菌产生的抗生素,保护黄杆菌不受其影响。 THOR的其他成员诱导芽孢杆菌菌落像树枝一样生长,以复杂的模式在其他细菌身上和周围蔓延。

转化

许多操纵微生物群落的努力都集中在改善人类健康上,而像THOR这样的模型群落可以帮助科学家了解如何改变复杂的微生物关系,使我们受益。

但是 THOR关于植物根的微生物群,即根际的信息同样重要。根际有助于将土壤粘合在一起,防止水土流失。土壤中碳的锁存量是大气中的三倍,这使得土壤成为应对气候变化的一个重要因素。了解单个微生物是如何聚集在一起产生丰富而复杂的土壤微生物群落行为的,这可能是使我们从这些看不见的群落中获得最大利益的关键。

“这是我们拥有的最重要的关系之一,”汉德尔斯曼说。

THOR将复杂的微生物群整合到一个模型中进行改进

引用

University of Wisconsin-Madison. "THOR wrangles complex microbiomes into a model for improving them." ScienceDaily. ScienceDaily, 8 March 2019.
www.sciencedaily.com/releases/2019/03/190308180259.htm.

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