淡水环境中共存捕食细菌BdellOVIBRIO SP. BIS2与BACTERIOVORAX SP. HI3的捕食表型与基因型比较研究

《Environmental Microbiology》：Comparison of Predatory Phenotypes and Genotypes Between Bdellovibrio sp. BIS2 and Bacteriovorax sp. HI3 Isolated From the Same Freshwater Environment

本研究通过比较从同一淡水环境分离的Bdellovibrio sp. BIS2和Bacteriovorax sp. HI3两种捕食性细菌，揭示了它们在捕食范围、行为及遗传基础上的显著差异。BIS2凭借丰富的鞭毛基因实现高速运动能力，但猎物裂解不彻底；HI3则表现为局部高效捕食与彻底裂解。基因组分析发现二者在水解酶、鞭毛组装和IV型菌毛基因簇存在关键差异，这为理解捕食性细菌的生态位分化及共存机制提供了新视角。

　　

引言

捕食是生物间的基本相互作用，在微生物群落中同样存在捕食性细菌。Bdellovibrio and like organisms（BALOs）是一类专性捕食革兰氏阴性菌的细菌，通过调控猎物种群在微生物生态系统中扮演重要角色。尽管已知不同属的BALOs（如Bdellovibrio和Bacteriovorax）可在同一环境中共存，但对共存BALOs间的功能和遗传变异仍知之甚少。

实验方法

本研究以从大阪大学同一淡水池塘分离的Bdellovibrio sp. BIS2和Bacteriovorax sp. HI3为对象，通过捕食实验（平板与液体共培养）和比较基因组学（涵盖24个Bdellovibrionota菌株的泛基因组分析）系统比较了二者的捕食特性。采用定量PCR（qPCR）结合PMAxx（propidium monoazide）染色定量活菌，并通过透射电镜（TEM）观察鞭毛形态。

结果与讨论

猎物范围差异

平板捕食实验显示，BIS2和HI3对12株测试猎物的捕食范围既有重叠又存在特异性。例如，两株E. coli和两株环境分离株（Acidovorax sp. DW039和Novosphingobium sp. DW067）分别只被BIS2或HI3捕食。在DW039中发现的与NpdA相似的S层蛋白编码基因，可能与其抵抗BIS2捕食有关。

裂解活性与运动性

在双层平板上，BIS2形成的噬菌斑更大（4.3 mm对2.7 mm）但透明度较低，表明猎物裂解不完全；HI3形成的噬菌斑更小但完全透明。在营养琼脂平板上的猎物菌落裂解实验进一步证实，BIS2能快速扩散形成多个裂解点但残留浊斑，而HI3的裂解区域局限但彻底。运动速度测量表明BIS2的平均游动速度（90.9 μm/s）显著高于HI3（80.2 μm/s）。TEM观察显示BIS2的鞭毛（平均3.48 μm）长于HI3（平均2.10 μm）。

液体培养中的捕食动力学

以E. coli HB101为猎物的液体共培养显示，BIS2在捕食初期滞后时间更短（12小时后开始快速捕食），但最终猎物残留量较高（5.5×10⁷cells/mL），且培养液中出现白色悬浮物（推测为未完全裂解的猎物残骸“prey ghost”），溶解性有机碳（DOC）增幅较低。HI3虽起始增长较慢，但能将猎物降至更低水平（1.6×10⁶cells/mL），DOC释放更彻底，峰值密度也更高（3.5×10¹⁰cells/mL）。这表明BIS2可能采取“快速但裂解不彻底”的策略，而HI3则偏向“局部彻底裂解”。

比较基因组学基础

对24个BALOs菌株的泛基因组分析揭示了极高的遗传多样性，近半数基因簇为菌株特异性。BIS2和HI3的基因组功能组成相似，但在关键捕食相关基因上存在差异：

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  鞭毛系统：BIS2拥有完整的鞭毛组装基因（38个），包括三个鞭毛马达对；HI3（33个基因）缺失调控钩长的fliK基因同源物，且仅有一个鞭毛马达对，这与其较短的鞭毛和较低的运动性一致。
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  IV型菌毛（TFP）：TFP基因簇在BIS2及其近缘株HD100中分布于两个远距离区域，而在HI3和Bacteriovorax stolpii DSM 12778中则聚集在一个约13 kbp的大区域。PilC序列在BIS2与HD100间高度相似（98%），但与HI3无显著相似性，这可能影响其对不同猎物的识别与附着。
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  水解酶：BIS2独有α-淀粉酶基因；HI3独有磷脂酶A₂基因。关键的是，与猎物细胞壁裂解和捕食者退出相关的N-乙酰葡糖胺脱乙酰酶（GlcNAc deacetylase）基因，HI3（5个）多于BIS2（2个）。此外，BIS2拥有DslA（一种作用于脱乙酰化肽聚糖的溶菌酶）同源基因，而HI3没有。这些水解酶谱的差异直接关联到二者观察到的裂解效率不同。
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  代谢途径：BIS2拥有完整的糖酵解和三羧酸循环（TCA cycle）通路；HI3缺少连接糖酵解与TCA循环的丙酮酸氧化关键基因，但具有脂肪酸延长途径和更多脂质代谢相关基因（COG I类）。

结论

本研究表明，共存于同一淡水环境的BALOs通过演化出不同的捕食策略（快速探索/不完全裂解 vs. 局部高效/彻底裂解）实现生态位分化。这些表型差异有其深刻的基因组基础，主要体现在运动性、猎物附着机制以及裂解酶系的关键基因变异上。这种捕食策略的多样性有助于它们在自然环境中共存，并对微生物群落的结构和动态产生多重影响。研究结果为理解BALOs的生态演化及其在调控微生物生态系统中的应用潜力提供了新的见解。