原文链接：Reciprocal Fitness Feedbacks Promote the Evolution of Mutualistic Cooperation: Current Biology (cell.com)

亮点

•相互合作可以在空间非结构化的环境中演化

•空间聚类和相互适应度反馈驱动合作的演变

•非合作者不如合作者健康

总结

互惠互利的相互作用在自然界中无处不在，对地球生命的进化起到了关键作用。然而，促进它们出现的因素仍然知之甚少。在这里，我们通过实验和数学建模来解决这个问题，使用营养缺陷型大肠杆菌菌株的共培养物，其生长取决于氨基酸的相互交换。在不到150代的空间异质环境中，营养缺陷型配对的共同进化将最初仅基于代谢副产物交换的相互作用转变为代价高昂的代谢合作，在这种合作中，伴侣双方都增加了产生的代谢物量，以使其相应的伴侣受益。观察到的变化是由多细胞簇的形成提供的，在多细胞簇内，相互作用的基因型之间的正适应度反馈有利于增加合作投资。在这些条件下，非合作个体比合作突变体更不适合。总之，我们的研究结果突出了互惠合作的发展过程，这表明类似的机制可能在自然群落中运作。

Figure 1Productivity and Fitness Significantly Improved in Cocultures of Auxotrophs

(A) Design of the evolution experiment. Three experimental groups (i.e., monocultures of prototrophic wild type (WT), monocultures of auxotrophic genotypes (Mono) supplemented with the two amino acids tyrosine (+Tyr) and tryptophan (+Trp), and cocultures of auxotrophic genotypes of Escherichia coli (Co) were serially propagated for 80 days in shaken liquid medium.

(B) Mean population density (±95% confidence intervals) quantified as optical density (OD600nm) over the course of the evolution experiment. WT monocultures and auxotrophic cocultures significantly increased in optical densities, whereas the growth level of monocultures of auxotrophs remained unchanged (paired sample t test comparing optical densities after 7 days and 80 days of incubation, WT: ∗p < 0.05, t = −2.805, n = 12; Mono: ns p = 0.69, t = −0.397, n = 19; Co: ∗∗p < 0.001, t = −17.365, n = 10).

(C) Change in Darwinian fitness of derived populations relative to their evolutionary ancestors. Relative fitness is the net growth of derived consortia divided by the growth achieved by the corresponding ancestors during a 72-h period. Ancestral and derived populations were cultivated separated from each other. Different letters indicate significant differences (ANOVA followed by a least significant difference (LSD) post hoc test: p < 0.001, F = 35.033, df = 34 (WT: n = 6, Mono: n = 19, Co: n = 10)). Relative fitness of WT and Co is significantly different to 1 (one-sample t test, WT: p < 0.05, t = 23.75, df = 5, Co: p < 0.001, t = 10.25, df = 9), whereas the one of Mono is not (one-sample t test, Mono: p > 0.05, t = 0.56, df = 18).

See also Figures S1 and S2.

图1  营养缺陷型共培养显著提高了生产力和适应性

（A） 进化实验的设计。三个实验组（即原营养野生型（WT）的单一培养、补充两种氨基酸酪氨酸（+Tyr）和色氨酸（+Trp）的营养缺陷基因型（Mono）的单一培养以及大肠杆菌营养缺陷型（Co）的共培养）在振荡液体培养基中连续繁殖80天。

（B） 平均种群密度（±95%置信区间）量化为进化实验过程中的光密度（OD600nm）。野生型单一培养和营养缺陷型共培养的光密度显著增加，而营养缺陷型单一培养的生长水平保持不变（配对样本t检验，比较培养7天和80天后的光密度，野生型：*p＜0.05，t＝−2.805，n＝12；单体：ns p＝0.69，t＝-0.397，n＝19；Co:**p＜0.001，t＝–17.365，n＝10）。

（C） 衍生种群相对于进化祖先达尔文适应度的变化。相对适应度是净的 衍生种群相对于进化祖先达尔文适应度的变化。相对适应度是派生财团的净增长除以相应祖先在72小时内实现的增长。祖先种群和衍生种群是相互分离培养的。不同的字母表示显著差异（ANOVA后接最小显著差异（LSD）事后检验：p<0.001，F=35.033，df=34（WT:n=6，Mono:n=19，Co:n=10））。WT和Co的相对适合度显著不同于1（一个样本t检验，WT:p<0.05，t=23.75，df=5，Co:p<0.001，t=10.25，df=9），而Mono的相对适合性则不同（一个样品t检验，Mono:p>0.05，t=0.56，df=18）。

图2  共培养的缺陷型进化出代价高昂的交换氨基酸过量生产

（A） 共同进化的营养缺陷型生物，但不是单一培养对照的分离株，产生的交换氨基酸数量增加。显示了衍生菌株相对于相应进化祖先支持共培养的营养缺陷型（ΔtyrA:酪氨酸营养缺陷型，ΔtrpB:色氨酸营养缺陷型）生长的能力。营养缺陷型生物传感器的生长反映了焦点供体产生的氨基酸量，对于共培养的供体基因型的生长进行了标准化。使用进化种群（nWT=12，nMono=88，nCo=140）和祖先（nWT:12，nMono=19，nCo=20）的不同分离形态类型。整个实验重复了三次。不同的字母表示各组之间的显著差异（ANOVA和Dunnett T3事后检验：ΔtyrA:p<0.01，F=5.471，df=419；ΔtrpB:p<0.001，F=51-235，df=335）。

（B） 共同进化的营养缺陷型生物群落的净生长与其成分产生的氨基酸量呈正相关。在3天的时间内测定共体的生长，并如（a）中那样定量氨基酸的产生。对数据进行线性回归拟合（黑线；灰色区域：±95%置信区间）。显示了Spearman秩相关的结果。

（C） 共同进化的营养缺陷型生物需要付出适应的代价。在补充氨基酸的最小培养基中测定了30种共同进化的营养缺陷型生物及其相应祖先的生长。实现的最大光密度（ODMAX）和最大生长速率（μMAX）显示为进化分离株相对于其进化祖先的平均（±95%置信区间）比率（n=4）。虚线表示祖先的等级。μMAX和ODMAX之间显著的Spearman秩相关性指向真实的适应度成本。

图3  共培养的缺陷型形成多细胞簇

（A和B）在共同进化的营养缺陷型生物中形成多细胞簇，但在两个对照组中不形成。（A） 通过激光衍射光谱测定，在指数生长阶段，野生型（灰色线，n=12）、营养缺陷型（黄色，n=24）和营养缺陷型共培养（蓝色，n=30）的衍生种群的体积百分比的累积大小分布。每个测量值都被复制了三次。线是中位数，虚线表示95%的置信区间。尺寸>10μm的颗粒被认为是细胞簇。（B） WT祖先（左列）和进化（右列）种群的扫描电子显微照片、营养缺陷型生物的单一培养以及早期指数生长阶段营养缺陷型动物的共培养。比例尺：5μm。

（C） 共培养的营养缺陷型生物的生长依赖于接触。祖先（条纹盒）和衍生（蓝色盒）营养缺陷型生物的共培养物要么一起生长在同一个隔间（−Filter）中，要么通过滤膜（+Filter）分离，滤膜允许游离氨基酸通过，但防止细菌细胞之间的直接物理接触。字母表示各组之间的显著差异（ANOVA和Dunnett T3事后检验：p<0.01，F=49.473，df=367（祖先共培养物：n=40，进化共培养物，n=144））。

图4  多细胞簇内的正适合度反馈有利于合作基因型

（A） 实验设计。探讨了衍生的合作型营养缺陷型（蓝细胞）入侵稀有（20:1）祖先的非合作型营养缺失型（灰细胞，初始比例：1:1）种群的能力。为此，使用了三个联合体，每个联合体由色氨酸营养缺陷型（ΔtrpB）或酪氨酸营养缺陷型基因型（ΔtyrA）组成。入侵者（蓝细胞）和其共享相同营养缺陷型的祖先竞争对手（灰细胞，C）在不存在（左）或存在防止细胞之间物理接触的滤膜（右）的情况下竞争祖先伴侣基因型（灰细胞、P）产生的局灶性氨基酸。

（B） 当细胞能够形成集群时，共同进化的营养缺陷型生物的入侵成功率显著增加。显示了每代酪氨酸（ΔtyrA）或色氨酸（ΔtrpB）营养缺陷型的衍生共进化菌株的入侵成功率（即入侵者的净生长相对于竞争对手的净生长超过72小时）。星号表明，在存在（+过滤器，即防止集群形成）和不存在滤膜（−过滤器，即允许集群形成）的情况下生长的种群之间存在显著差异（Wilcoxon符号秩检验：***p<0.01，Z=−2.613，n=15；***p<0.001，Z=–3.408，n=15）。

（C） 集群的形成导致营养缺陷型亚群之间的正适应度反馈。当细胞形成簇时，祖先竞争对手+衍生入侵者（y轴）和祖先伴侣（x轴）的净生长显著正相关。对数据进行线性回归拟合（黑线；灰色区域：±95%置信区间）。给出了Spearman秩相关的结果。

图5  代谢协作的进化需要空间聚类和增加交换代谢产物的产量

显示的是一个理论模型的结果，该模型是为了确定解释我们模型系统中合作演变的因果参数而开发的。

（A） 当氨基酸产量和簇形成都很高时，合作是有利的。群体中协同等位基因的频率显示为氨基酸产量和簇形成率的函数。

（B） 簇的形成是普遍的，但当氨基酸产生率高时尤其有利。簇中细胞的频率被绘制为氨基酸产生和簇形成速率的函数。

（C） 当簇的形成和氨基酸产量高时，合作就会演变。协同等位基因在（A）和（B）所示条件下的进化动力学，其中氨基酸产生和簇形成的程度都是低的（I）或高的（II）。显示了100个重复群体中合作者等位基因的平均频率（±置信区间）。线的颜色代码表示根据（B）聚类的细胞的频率。