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细菌-真菌的平衡维持动植物健康

Contribution of bacterial-fungal balance to plant and animal health

Current Opinion in Microbiology [6.916]

2019-11-12，Review

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.mib.2019.10.009

第一作者：Felix Getzke, Thorsten Thiergart

通讯作者：Stephane Hacquard hacquard@mpipz.mpg.de

主要单位：

1. 德国科隆，马普植物育种研究所 (Max Planck Institute for Plant Breeding Research, 50829 Cologne, Germany)

划重点

• 动植物生态位被细菌和真菌定殖；
• 细菌-真菌间的相互作用塑造了宿主相关的微生物群落；
• 细菌和真菌的相互作用影响了宿主的健康状态；
• 细菌共生能够调节真菌生长，并保护宿主免受疾病侵害。

点评：微生物菌群的跨界互作对动植物及其定殖菌群的影响一直是近年来的关注热点，本文整合了对不同动植物生态位微生物组的研究，分析并总结了细菌与真菌相互作用在跨生态位间的特性与共性，阐释了微生物相互作用对宿主及宿主相关微生物群落的影响。为后续特殊功能菌群的挖掘及潜在机制的研究提供了指导方向。

摘要

动植物的表面被复杂的多界(multi-kingdom)微生物群落定殖，这些群落包括原核(如古细菌，细菌)和真核(如真菌，原生生物)微生物。多界微生物群落的组成和变化受宿主和环境影响，驱动了微生物群落在宿主生态位(niches)间的差异。最近有证据表明，除了这些主要因素之外，微生物群落间的相互作用也有助于宿主相关微生物群落的形成、稳定和复原。特别的，宿主生态位中细菌和真菌的相互作用对群落功能至关重要，改变它们的平衡关系可能会导致宿主染病。在这里，我们讨论了跨动植物生态位的微生物间的相互作用对群落组成的影响程度，并提供了例子阐明微生物群落中细菌-真菌平衡的改变可能导致疾病发生。

前言

动植物与古菌、细菌、真菌和原生生物等从不同界进化而来的多种微生物密切相关。目前已有许多证据证明，微生物跨界相互作用对宿主健康的影响来源于细菌与真菌间的相互作用，因此我们将讨论的重点放在了这两种微生物群落上。这些混合的细菌-真菌群落主要定殖在植物和动物宿主的内外表面，微生物胞内定殖(intracellular microbial colonisation)在动物中并不常见，不过植物组织经常被细菌和丝状真核生物定殖[1]。

在与动植物宿主相关的多界微生物中，细菌受到了广泛关注。在植物根际、人类粪便的宏基因组样本所检测到的微生物序列中，细菌读长(reads)数分别超过了94％和99％[2-6]。不过，宏转录组学分析(metatranscriptomic analyses)表明，在豌豆和燕麦根际样品中，真菌读长数的比例可能高达15％[7]。总的来说，已经有很多报道介绍了在植物界和动物界中细菌群落的组成，变异和功能，包括增强营养，免疫调节或病原体保护[8]。类似地，宿主相关真菌的多样性和有益活动也是维持微生物群落稳定性和宿主健康的重要因素[9-14]。有益真菌有许多著名的例子，比如菌根真菌(mycorrhizal fungi)和益生菌。菌根真菌与大多数陆地植物的根部共生，可能影响着全世界植物种类的分布[15]。益生菌中的布拉酵母菌(Saccharomyces boulardii)，已经被用于预防和治疗腹泻疾病长达数十年[16]。在动物肠道中，共生的细菌和真菌都可预防局部组织损伤，触发系统免疫调节[9]，并有助于宿主消化和营养吸收[17]。同样的，植物根系也有复杂的微生物群落，其中真菌和细菌共生体已被证明可以保护微生物病原体，调节宿主的免疫输出，并改善营养获取[18，19]。值得注意的是，与单一接种相比，细菌-真菌共接种(co-inoculation)更能提高植物的存活、生长或生产率，这说明细菌和真菌之间的功能互补性可能影响重要的生态系统功能[10，20••]。因此，作用于宿主和微生物群落的选择性压力可能有利于动植物生态位中多界微生物群落的共存。

生态失调(Dysbiosis)，定义为一个不平衡的微生物群,其经常与动植物疾病相关，但目前，在大多数情况下，还不清楚微生物生态失调是某一疾病的起因还是结果[21-23]。很少有研究通过微生物组重建和无菌小鼠(或无菌植物)的移植实验来证明微生物失衡与疾病之间存在直接的因果关系[20••，24]。值得一提的是，宿主相关微生物组中的细菌和真菌的应用表明，细菌-真菌失调和特定疾病间存在一些直接的联系，例如抗生素治疗，微生物移植以及实验用合成微生物群落(SynCom)[20••，25，26，27•]。

细菌-真菌的相互作用已经在生态系统功能或宿主适应性的背景下受到了广泛的讨论[28-30]，但在群落水平下这些复杂的相互作用是如何影响宿主健康状态的，仍然缺乏理解。在本综述中，我们讨论了动植物生态位中宿主相关细菌和真菌的群落组成和变化，微生物组中细菌和真菌分类群之间的联系以及细菌-真菌失调与宿主疾病之间的联系。通过检测细菌-真菌相互作用跨动植物生态位的共性，我们认为维持细菌-真菌稳态是植物和动物健康的关键。

植物和动物生态位中细菌和真菌群落的变化

Variation in bacterial and fungal communities across plant and animal niches

为了确定宿主生态位对动植物相关微生物群落的分化和特化的影响程度，我们分析了之前七项研究的微生物群落。这些研究详细探究了动物肠道中(即粪便样本)、皮肤上[11，31，32]、植物根和叶片内胚层[11，31，32]生态位的细菌和真菌的群落组成。基于16srRNA基因(细菌)和内部转录间隔区(ITS，真菌)的微生物谱分析显示，细菌和真菌多样性(Shannon多样性指数)在植物根内胚层样品中最高，而在人类皮肤样品中最低(图1a)。尽管细菌α多样性在这些样品中总体上相似，但人类肠道中的真菌多样性相对小鼠明显较低，这证实了人类肠道菌群中真菌多样性降低(图1a)。在整个动植物生态位中，细菌和真菌的α多样性之间没有发现显著的相关性(图1b)。通过分析这些样品中的优势微生物属(即相对丰度>1％的属)，我们发现了宿主生态位中细菌和真菌群落组成的系统发生信号(图1c)。另外，定殖的细菌富集属不止在相同植物个体的根部和叶片有大量的分类学重叠，而且在系统发育远缘的物种间也有重叠(跨越三大洲的三种物种：拟南芥[欧洲]、胡杨树[北美]、甘蔗[南美])。细菌这种在植物中的保守模式在真菌中不太明显，这与真菌对宿主和环境变化的反应比细菌更广泛这一假说相一致[36]。尽管存在一些显著差异，但在小鼠和人类粪便样品之间的属水平上也观察到了一些微生物群落组成的相似特征，这表明在较高的分类等级上,人与小鼠之间肠道环境的相似性验证了动物生态位中微生物群落组成的趋同化。相反，在定殖于动物和植物生态位最丰富的微生物属间，除了极少数特定的真菌属为肠道和植物所共有外，如枝孢菌属(Cladosporium)、链格孢属(Alternaria)、青霉菌属(Penicillium)和镰刀菌属(Fusarium)，几乎没有分类学的重叠。不同动植物生态位中各自的优势细菌和真菌属分别包括，人肠道中的拟杆菌(Bacteroides)和酿酒酵母(Saccharomyces)，人皮肤表面上的丙酸杆菌(Propionibacterium)和马拉色菌(Malassezia)，植物根中的假单胞菌(Pseudomonas)和镰刀菌(Fusarium)，以及植物叶片中的假单胞菌(Pseudomonas)和枝孢菌(Cladosporium)。肠道、皮肤和植物内环境间的对比环境可能会驱动微生物群分化和生态位特化。不过正如最近描述的，尽管我们的宏分析中观察到宿主生态位间有明显的分类学分化，但这些不同宿主相关的微生物群落中很可能保留了大量的功能重叠[37，38]。因此，微生物群成员之间的功能冗余以及细菌和真菌之间的功能互补性可能是有益性状稳健表达的关键，这些有益性状可促进植物和动物系统中宿主的健康。

图1.动植物生态位中的优势细菌和真菌类群的组成和变化

Figure 1. Composition and variation of dominant bacterial and fungal taxa across plant and animal niches

(a)不同动植物生态位上的alpha多样性(左：细菌，右：真菌；指标为shannon指数，Pairwise Wilcoxon检验，fdr<0.05)。(b)细菌和真菌alpha多样性不同样品之间的相关性(左：肠道，右：根内腔)。基于shannon指数，使用Spearman等级相关性检验相关的显著性。(c)定殖于动植物生态位中的高丰度属水平的系统发育树(左：细菌，右：真菌)。请注意，如果属未知，则显示科水平的分类。

c图说明：相对丰度(RA)在属(或科)水平上汇总，并用圆圈表示。这里只展示RA>1%且至少在一个数据集中存在的分类单元。利用细菌小亚基核糖体rRNA或真菌内转录间隔区(ITS)的代表性序列生成树。所有数据集从各自的存储库中检索，并根据参考文献[20••]处理，不同的数据集的处理需要稍作更改。

动植物生态位中的细菌-真菌共生

Bacteria-fungi co-occurrence across plant and animal niches

细菌和真菌在特定宿主生态位中的共存表明，微生物的跨界相互作用是推动微生物多样性、变异和稳定性的重要选择性力量[39，40]。这些跨界的互作沿着共生-寄生连续体( mutualism-parasitism continuum)延伸，并涉及到接触依赖( contact-dependant)和接触独立机制(contact-independent mechanisms)[28]。基于细菌和真菌扩增子测序数据的网络分析表明,植物和动物生态位中细菌和真菌分类学丰度之间存在很强的联系(即相关性)[20••，35••，41-45]。细菌和真菌之间的协同和拮抗作用共同促进了微生物群落的分化。关于宿主相关的微生物组间相互作用，虽然主要报道了竞争作用[20••，35••，46•，47-49]，协同作用(如内共生、分散、交互共生)其实也在微生物间广泛存在[50-52]。总而言之，抗菌剂(antimicrobials)的生产利用被认为是推动宿主生态位中真菌-细菌平衡的主要力量[3，27•，53]。在无菌植物系统中，用复杂多界的群落微生物进行的微生物群重组实验(Microbiota reconstitution experiments)表明，细菌的根共生限制了真菌的多样性，并在土壤-根连续体中广泛地限制了真菌的集合[20••]。根据这项研究，丝状真核生物也显著影响细菌群落组成，但效果更微弱[20••]。因此，细菌和真菌之间的相互交流可能会驱动微生物群落的分化，多样性和稳定性[35••]。在动物肠道中，抗生素治疗方法已被反复证明与白色念珠菌(Candida albicans)过度生长的表型相关[25，48，54，55]。例如，已经有一种小鼠模型系统，用于评估长期暴露于抗生素后肠道微生物组的稳定性。利用这个系统，研究者们发现，经过抗生素治疗后，细菌丰度的下降，而白色念珠菌的丰度提升了40倍，停止治疗后又都恢复了正常水平[54]。最近，Matsuo等人[56]发现口服β-内酰胺类抗生素(β-lactam antibiotics)可使白色念珠菌在小鼠肠内定殖，并导致梭菌属(Clostridiales)、拟杆菌属(Bacteroidales)、肠杆菌科(Enterobacteriaceae)和乳杆菌科(Lactobacillaceae)的相对丰度大大降低。将未经处理的小鼠排泄物移植到白念珠菌定殖小鼠体内，可迅速恢复内源性细菌菌群并抑制真菌定植。

这些例子表明，细菌或真菌群落的干扰可导致宿主生态位中定殖真菌或细菌群落的改变。重要的是，这一现象不仅可以直接由细菌和真菌之间的相互作用来解释，还可以通过微生物群对宿主免疫系统的调节来间接发生[57•，58，59]。因此，细菌-真菌的平衡受到一个双层调控网络的严格控制，该网络包括宿主-微生物和微生物-微生物的相互作用。这种平衡的改变可能是由宿主和微生物的遗传、环境变化（例如饮食或土壤成分）以及抗菌治疗引起的，从而导致细菌-真菌的失调(图2)。

图2.细菌-真菌失衡是动植物疾病的潜在原因

Bacterial-fungal dysbiosis as a potential cause of disease in plants and animals

在此图中，我们展示了植物和动物生态位中的共性，这些生态位与细菌共生体维持真菌稳态有关。宿主相关微生物的群落组成在植物根部(绿色)和动物肠道(橙色)上鲜有重叠。沿着植物的土壤到根、动物的内腔到上皮可以观察到微生物区隔，这与宿主细胞表面附近的微生物多样性减少有关。在稳态下，细菌-真菌(B:细菌，F:真菌)平衡是通过宿主-微生物(host-microbe, Host-BFI)和微生物-微生物(microbe-microbe, BFI)相互作用来维持的。在植物根部，据报道，变形杆菌是控制植物根部真菌负荷和多样性的重要微生物群成员，而拟杆菌门和厚壁菌门则被报道在人类肠道中发挥这一功能。上图中，右侧展示了与细菌-真菌共生失调相关的生理变化。

宿主疾病中细菌-真菌平衡的改变

Altered bacterial-fungal balance in host diseases

动植物的疾病通常与真菌和细菌菌群的多样性与组成的变化有关，但是仍然很难通过实验证明微生物失调与疾病是否有明确的因果关系[13，35••，60]。在这里，我们主要讨论一些相关研究，这些研究测试了如果改变共生细菌的多样性和组成，动植物生态位中的真菌发病率是否会受影响(图2)。虽然也有证据表明宿主相关真菌或其他丝状真核生物可以调节宿主相关细菌的多样性、丰度和组成[35••，53，61]，关于维持宿主-细菌稳态和宿主健康的生理相关性仍然缺乏描述。因此，细菌和真菌之间的相互作用可能有助于维持宿主组织中的微生物负荷，从而调节宿主健康状态(图2)。

在模式植物拟南芥中，可以将微生物群解构为真菌和细菌培养库[20••，38]，然后用多界的合成微生物群落和无菌植物进行微生物群重建实验，这个实验方法最近被用于测试微生物跨界的相互作用是否影响微生物群落结构和植物健康。根据这项研究，在不存在共生细菌的情况下，从健康植物的根中分离出的许多与根相关的真菌都是对宿主有害的[20••]。然而，在真菌存在的情况下，共接种复合菌群与单株属于假单胞菌科(Pseudomonadaceae)或丛毛单胞菌科(Comamonadaceae)能够挽救植物的生长。因此，根部细菌菌群的一项主要生理功能是在根界面处控制真菌的丰度和多样性，从而维持真菌在根内的稳态，并促进宿主的存活[20••]。这些发现得到了进一步研究的支持，证明了细菌根共生体对真菌的直接拮抗作用，为理解细菌介导的真菌疾病抑制机制提供了基础[3，46•，47，62，63]。如最近报道[64]，土壤细菌群落对真菌生长和活性的抑制似乎是一个普遍的规则，不仅影响土传病害(soil-borne)的真菌病原体，还影响有益的丛枝菌根真菌。

细菌共生调节真菌生长的生理相关性并不局限于植物微生物群。在一种淡水生物——基底后生动物水螅(Hydra vulgaris)中，有覆盖于外胚层上皮细胞的多层糖萼(multilayered glycocalyx)，在这种结构中寄生着一种细菌，能够保护水螅免受镰刀菌的致命感染[27•]。值得注意的是，被单个细菌重新定殖的水螅没有得到充分保护，而那些被细菌菌群（主要是假单胞菌科和单胞菌科；变形菌门）重新定殖的水螅则表现出完全抗药性。该结果也说明了细菌间相互作用对观察到的适应性拯救表型的重要贡献[27•]。

在人类中，长期使用抗生素治疗引起的细菌群落紊乱通常与真菌过度生长有关，并导致疾病暴发[25，48，54，65]特别的是，已经有广泛的报道说，在小鼠中，共生细菌能调节白色念珠菌在胃肠道中的定殖[9，56，66]。最近，用特定抗生素处理小鼠肠道细菌也显示，肠杆菌科(Enterobacteriaceae)和白色念珠菌协同作用，并促进白色念珠菌在肠道的定殖以及其在肠道炎症中的活跃作用[67••]。该结果说明真菌定殖受到肠道中特定细菌类群的影响，从而调节健康状态。使用相同的小鼠系统，也有研究表明，肠道细菌共生的拟杆菌(Bacteroides thetaiotaomicron)能够通过激活肠道粘膜免疫效应因子(HIF-1α，CRAMP)，来破坏白色念珠菌的定殖，这说明宿主能间接的介导共生细菌对真菌感染的抑制作用[57•]。

结语

我们提出了一个通用模型，在该模型中，细菌共生体对真菌的多样性及丰度的影响可以通过微生物竞争直接改变，也可以通过调节宿主免疫系统间接调整。共生细菌与限制宿主生态位真菌多样性和丰度的相关性表明，动植物可能都同样依赖其免疫系统和内源性细菌微生物群来维持宿主组织中的真菌平衡。考虑到分别定殖在动植物表面的主要细菌类群的重叠很少（图1c），很可能不同的细菌谱系调节了不同宿主生态位之间的真菌平衡[20••，27•，63]。虽然分子机制可能不同，但植物和动物生态位中，共生细菌具有保守保护功能表明，跨宿主相关微生物群落的功能性状趋同。真菌对细菌的相互作用也有望维持细菌菌群与宿主之间的稳态关系，因此这意味着真菌-细菌平衡是双向控制的。因此，我们认为细菌，真菌及其宿主之间的相互作用对于维持宿主组织中的总微生物负荷至关重要。这种相互的跨界调控可能是一种推动力量，有助于建立多样多界的微生物联合体，促进动植物健康。需要进一步的研究来系统地剖析各自的潜在机制，以识别控制细菌-真菌平衡并可用于农业或治疗的微生物。值得一提的是，通过多个控制点广泛影响细菌-真菌平衡的微生物，代表着潜在的关键分类单元，可能调节动植物的健康和疾病。

编译：戴睿，香港科技大学硕士，中科院遗传发育所在读博士，微生物组数据分析方向

编辑：刘永鑫，中科院遗传发育所工程师，微生物组数据分析方法；翟志文，中科院遗传发育所在读博士，微生物组数据分析方向

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