Nature | 沉积物中的宿主-寄生虫“红皇后”假说？

生命的智慧 · 公众号 · 科技自媒体 · 2024-11-10 00:00

主要观点总结

该文章介绍了研究者利用水蚤及其微寄生虫的休眠体在湖泊沉积物中的保存特性，重建了自然环境中的协同进化动力学，并展示了寄生虫在短时间内对宿主基因的适应。通过一系列实验，文章探讨了寄生虫传染性、毒力等方面的变化，以及这些变化对宿主的影响。文章还讨论了相关研究成果在协同进化、生物多样性等方面的意义。

关键观点总结

关键观点1: 研究背景及目的

随着生物之间的拮抗相互作用推动协同进化，红皇后动力学成为研究热点。利用水蚤和微寄生虫的休眠体在湖泊沉积物中的保存特性，可以重建自然环境中的协同进化动力学，探索寄生虫对宿主基因的适应过程。

关键观点2: 研究方法

从比利时浅水池的沉积物岩芯中孵化出水蚤克隆体，并分离出相应菌株。设计两个交叉感染实验，研究水蚤暴露于不同时间、不同来源的寄生虫时的感染性变化。

关键观点3: 研究结果及讨论

研究发现，寄生虫对当代宿主基因型的适应性高于过去和未来的宿主。寄生虫感染力随时间丧失可能是由于其适应不断变化的宿主群体所致。进一步研究发现时移效应及深度×时移相互作用对寄生虫感染性的影响。此外，寄生虫的传染性和毒力随时间的变化以及它们如何影响宿主也受到了关注。

关键观点4: 研究意义

该研究为基于波动选择的协同进化提供了经验证据，并揭示了拮抗性协同进化在地球生物多样性的进化中的关键作用。此外，该研究还涉及到多个参考文献和作业目录，展示了相关领域的研究进展和重要性。

正文

Introduction

宿主和寄生虫之间的拮抗相互作用是自然种群中一种关键的结构力量，推动协同进化，导致红皇后动力学，但关于自然环境中时间动态的经验数据完全缺乏。

水蚤及其微寄生虫表现出的特征预计将导致强烈的共同进化反应。而水蚤及其微寄生虫的休眠体都保存在湖泊沉积物中，提供了过去基因库的档案，因此，是一种很好的研究对象。在这里，我们利用这一事实来重建自然环境中的快速协同进化动力学，并表明寄生虫在短短几年内就能迅速适应宿主。

Method

从一个比利时的浅水池中取样了两个沉积物岩芯，其中大型水蚤与细菌内寄生虫巴氏杆菌共存。从这些岩芯的不同沉积物层中的休眠卵中孵化出大型水蚤克隆体，并分离出相应菌株。每个深度对应于寄生虫和水蚤种群的历史时间片段。这里研究的最古老的一层（最深24厘米，最长约39年）代表着大型水蚤和寄生菌首次同时出现在这个池塘中。

设计两个交叉感染实验，分别为：仅考虑检查多种寄生虫的时期（实验1）和仅考虑检查单个寄生虫的时期（实验2）。我们将八个（实验1）和七个（实验2）深度的水蚤克隆暴露于下一层、同一层和上一层的寄生虫分离物中。因此，宿主暴露于“过去”、“当代”和“未来”的寄生虫分离物中。

Results and Discussion

研究结果表明，平均而言，当水蚤暴露于当代寄生虫时，其传染性高于以前与未来生长季节的寄生虫，这表明寄生虫适应感染当代宿主基因型。寄生虫感染力在以后几年的丧失可能是由寄生虫适应不断变化的宿主群体引起的。通常，当寄生虫适应不同的宿主基因型时，会失去对以前宿主的适应。

如果将过去、当代和未来的寄生虫分别指定为P、C和F，则当代组合中具有最高传染性，但在两个深度上不同（实验2的D5和D7）。

进一步研究发现，存在显著的时移效应（P=0.05）以及非常显著的深度×时移相互作用（P＜0.0001）。

使用宿主-寄生虫系统的现实参数设置，发现来自不久的将来的寄生虫分离株是最具感染性的，并且暴露于最近的过去的寄生虫时，宿主感染最少。更远的未来或过去的同种临时组合显示出一种循环的影响模式(图a,b)。

而在几代人中取平均值时，这种模式就会发生变化，当代寄生虫比过去和未来的寄生虫分离株更具传染性(图c)。并且任何进一步的平均都会导致动态的损失(图d,e)。此结果也与在同一宿主-寄生虫系统中共同进化的机制方面的研究一致。

那么，寄生菌株究竟是如何影响宿主并与之协同进化呢？我们进一步研究了巴氏杆菌的传染性和毒力随时间的变化。

研究发现，沉积物岩芯的连续时间序列没有显示寄生虫传染性随时间的变化（图3a、d）。然而，我们发现了寄生虫适应性的其他组成部分逐渐变化的证据。从寄生虫的第一次记录（最深24厘米）开始，巴斯德菌孢子的产生随着最近来源的分离株的增加而增加（图3b、e）。寄生虫孢子产量的增加与水蚤宿主繁殖力的降低有关，随着时间的推移，寄生虫会逐渐降低宿主的繁殖力（图3c、f）。

这表明，随着时间的推移，巴斯德菌孢子产量和毒力的增加（但不是其传染性）可能反映了寄生虫对宿主的适应。