原文链接：Artificially selecting bacterial communities using propagule strategies - PMC (nih.gov)

Abstract

Artificial selection is a promising approach to manipulate microbial communities. Here, we report the outcome of two artificial selection experiments at the microbial community level. Both used "propagule" selection strategies, whereby the best-performing communities are used as the inocula to form a new generation of communities. Both experiments were contrasted to a random selection control. The first experiment used a defined set of strains as the starting inoculum, and the function under selection was the amylolytic activity of the consortia. The second experiment used multiple soil communities as the starting inocula, and the function under selection was the communities' cross-feeding potential. In both experiments, the selected communities reached a higher mean function than the control. In the first experiment, this was caused by a decline in function of the control, rather than an improvement of the selected line. In the second experiment, this response was fueled by the large initial variance in function across communities, and stopped when the top-performing community "fixed" in the metacommunity. Our results are in agreement with basic expectations from breeding theory, pointing to some of the limitations of community-level selection experiments that can inform the design of future studies.

摘要

人工选择是操控微生物群落的一种有前景的方法。本文报告了两个微生物群落水平的人工选择实验的结果。这两个实验都采用了“繁殖”选择策略，即选取表现最佳的群落作为接种物形成新一代群落。两个实验均与随机选择对照进行对比。第一个实验使用了一组定义的菌株作为起始接种物，选择下的功能是菌群的解淀粉活性。第二个实验使用多个土壤群落作为起始接种物，选择下的功能是群落的交叉喂养潜力。在两个实验中，选择的群落达到了比对照更高的平均功能。在第一个实验中，这是由于对照的功能下降，而不是选定线的改善。在第二个实验中，这种响应受到了群落初始功能方差的影响，并且当表现最佳的群落在大社群中“固定”时停止了。我们的结果符合繁殖理论的基本预期，指出了群落水平选择实验的一些限制，这可以为未来研究的设计提供参考。

图1 解淀粉酶菌群的人工选择。

A. 实验方案。B. 群落功能（f）定义为在时间 t 后群落滤液水解的淀粉分数：功能（f=1-S[t]/S[0]，其中 S[t] 是时间 t 后反应器中的淀粉浓度，S[0]=0.1%w/v；方法）。青色圆圈代表选择线中 24 个群落的平均函数（±1 标准差）。红色空心圆代表随机对照线。星号表示群落功能在选择线和对照线之间显著不同的世代（Welch's 双样本 t 检验。*** 表示 p < 0.001，** 表示 p < 0.01，* 表示 p < 0.05；每次测试 N=48）。插图显示平均群落功能与选择回合（世代）之间的线性回归，从第 4 代稳定阶段开始计算（选择线斜率 = -0.0013，P = 0.44；对照线斜率 = -0.004，P < 0.001）。C. 每代最高群落功能，分别为选择线（红色）和对照线。青色三角形代表选择线中表现最佳群落的三重测量平均值（±1 标准误，N=3）。红色三角形代表对照线。星号表示与 B 部分相同的显著水平（Welch's 双样本 t 检验；所有情况下 N=6）。

图2 交叉喂养群落的人工选择。

A. 实验方案：对群落在靶向微生物 E. coli 上的交叉喂养潜力进行人工选择。交叉喂养群落来自于12个叶片和土壤样本，并在柠檬酸-M9培养基上培养。群落功能（f）由 f=Yc/Yg 确定，其中 Yc 是仅以群落滤液作为碳源时 E. coli 的产量，而 Yg 是在葡萄糖-M9培养基上生长的 E. coli 产量。

B. 各世代平均群落功能。绿色圆圈代表选择线中92个交叉喂养群落的平均功能（±1标准差）。红色圆圈代表随机对照线。星号表示群落功能在选择线和对照线之间显著差异的世代（Welch's 双样本 t 检验。*** 表示 p < 0.001，** 表示 p < 0.01，* 表示 p < 0.05；从第一到第七代：N=184, 184, 180, 184, 180, 176, 164，由于交叉污染的孔位被移除，样本量有所变化。方法）。如图 S2 所示，未归一化的函数 Yc 对选择的定性响应与归一化情况相同。

C. 最大群落功能。绿色三角形代表选择线中表现最佳群落的三重测量平均值（±1标准误，N=3）。红色三角形代表对照线。星号表示与 B 部分相同的显著水平。

D. 选择线和对照线在七个世代中群落功能的分布。每个柱状是半透明的，以显示每条线中重叠计数。

E. 选择线中亲子对的群落功能。浅红色三角形表示最终扩展的主导群落的血统，深红色正方形表示第二主导群落的血统（最后被放弃的社群），黑色圆圈表示其他血统。误差线是三重测量中的标准误差。灰色虚线表示从1000次自助法中拟合的平均线性回归。此处报告的 P 值表示在1000次自助法中，非显著线性回归斜率的分数，例如 P<0.001 表示每个自助法数据的线性回归都给出显著斜率（见方法）。回归斜率是社群水平特性遗传率的估计（Blouin et al. 2015; C. J. Goodnight 2000）。

F. Muller 图显示选择线中由不同起始群落的“后代”组成的大群落的分数。图表明了具有最高功能的主导群落的快速“固定”。每种颜色代表最初接种的12个土壤和叶片样本中的一个。

G. 遗传率（h2）和不同选择回合（世代）中选择线的平均功能（±1标准误）。平均功能如 A 部分所示。预期的，第四次选择回合后遗传率下降与平均功能对选择的进一步反应缺乏相一致。