摘要
裂解性噬菌体和原生动物捕食者是自然微生物群落中细菌死亡的主要原因，这也使得它们成为细菌病原体生物防治的潜在候选者。然而，关于噬菌体和原生动物对水相和生物膜相细菌生物量动态的相对影响知之甚少。在此，我们进行了一项微观世界实验，研究机会致病菌粘质沙雷氏菌在长达8周（约1300代）的时间内暴露于颗粒取食的纤毛虫、表面取食的变形虫和裂解性噬菌体的情况下，细菌生物量的时间和空间动态。我们发现，在开放水体中，纤毛虫是减少细菌生物量最有效的敌害类型，但在减少生物膜生物量方面效率最低。生物膜对食菌动物具有相当的抵抗力，但变形虫对开放水相和生物膜中的细菌生物量均具有显著的长期负面影响。噬菌体对开放水相和生物膜中的细菌生物量仅有轻微的长期影响。然而，用祖先噬菌体和细菌进行的独立短期实验表明，噬菌体在最初24小时内会急剧摧毁开放水相中的细菌生物量。此后，细菌进化出噬菌体抗性，这在很大程度上阻止了上行效应。三种敌害类型的组合在减少生物膜生物量方面最为有效，而在开放水相中，纤毛虫主导了营养效应。我们的结果强调了敌害取食模式对决定细菌生物量空间分布和丰度的重要性。此外，敌害类型是预测快速防御进化是否能显著影响细菌上行调控的关键预测因子。
引言
细菌群落受资源可用性（“上行控制”）和更高营养级生物（“下行控制”）的调控。噬菌体和原生动物是细菌死亡的两个主要生物原因，尽管在特定的时间点和地点，一个或另一个敌害群体可能占主导地位。这使得噬菌体和原生动物成为细菌病原体生物防治的潜在候选者。然而，关于噬菌体和原生动物对水相和生物膜相细菌群落相对影响的研究尚少。
关于原生动物捕食者和噬菌体在调节细菌丰度方面的相对影响已有许多研究，但这些研究的结果多种多样：例如，对自然水生系统中病毒诱导死亡率的估计从20%到100%不等。其原因可能是大部分数据来自野外（估计的生物量消耗常常与许多其他环境因素混淆，如温度、资源可用性和光照），并且猎物的效应大小通常是间接测量的。因此，也应该通过在受控实验环境中直接测量生物量变化来研究噬菌体和原生动物在控制细菌生物量方面的影响。
我们进行了一项微观世界实验，将机会致病菌粘质沙雷氏菌暴露于裂解性噬菌体Semad11以及两种典型的原生动物捕食者：颗粒取食的纤毛虫嗜热四膜虫和表面取食的变形虫卡氏棘阿米巴。为了研究原生动物和噬菌体对水相和生物膜相细菌生物量的时间和空间动态的影响，将细菌单独培养，或与单一敌害或所有敌害一起在静态微观世界中培养，模拟淡水池塘环境，持续8周（约1300个细菌世代），期间每周测量自由水相和生物膜相的细菌生物量。同时，在整个实验过程中跟踪原生动物捕食者的种群动态。这种实验设置有许多优点，包括直接测量细菌生物量，易于操纵环境变量（如营养、温度和光照），以及可以储存和复活实验菌株，从而允许直接比较祖先和进化后的菌株。这样的微观世界实验也允许大种群规模和世代数。
我们假设：（1）寄生性噬菌体最初在调节细菌丰度方面非常有效，而由于世代时间的差异，原生动物的效应增加较慢；（2）原生动物不同的取食模式可以造成细菌群落结构的空间差异：作为表面取食者，预期变形虫主要减少细菌生物膜，而颗粒取食的纤毛虫减少开放水体的生物量；（3）预测噬菌体抗性的进化会迅速减弱噬菌体对细菌的影响；（4）关于细菌-纤毛虫系统的理论和先前的实验工作表明，与细菌猎物相比，原生动物捕食者的共同进化能力有限。因此，我们预期细菌猎物防御进化得更强，并且由原生动物进行的生物量调控将随时间缓慢减弱；以及（5）预期所有敌害群体的组合效应对细菌的影响最为显著，因为这使得细菌获得空间避难所的机会最少，并且如果防御是代价高昂且群体特异性的，也能更有效地阻止防御进化。
我们的结果表明，敌害的取食模式影响细菌的空间分布和丰度。颗粒取食的纤毛虫是减少开放水体中细菌生物量最有效的敌害类型，但在减少生物膜生物量方面效率最低，而变形虫减少了开放水相和生物膜中的细菌。变形虫对细菌生物膜的取食效应在实验末期最为明显。噬菌体对细菌生物量的长期负面影响几乎可以忽略不计，尽管用祖先噬菌体和细菌进行的实验表明，噬菌体有能力在24小时内裂解大部分开放水相中的细菌生物量。这表明，由于快速的防御进化，与原生动物进行的下行调控相比，噬菌体进行的下行调控效应是时间依赖性的，并且在长期内影响较小。敌害的组合效应对生物膜生物量的影响最为显著。
材料与方法
研究物种和菌株
细菌粘质沙雷氏菌菌株Db11由Hinrich Schulenburg教授惠赠，最初从死亡的果蝇中分离得到。粘质沙雷氏菌是一种环境生长的革兰氏阴性菌，也是机会致病菌，感染广泛的宿主，包括植物、珊瑚、线虫、昆虫、鱼类和哺乳动物。粘质沙雷氏菌通常以自由生活形式存在于土壤、淡水和海洋生态系统中，并经常遭遇寄生性和捕食性敌害。
捕食性颗粒取食纤毛虫嗜热四膜虫菌株ATCC 30008（最短世代时间约2小时，购自美国模式培养物集存库，通常在25°C下于PPY（蛋白胨酵母培养基）中常规维持。
自由生活变形虫卡氏棘阿米巴菌株CCAP 1501/10（世代时间约7小时）购自藻类与原生动物培养物保藏中心（英国安布尔赛德渡船屋淡水生物协会），通常在25°C下于PPG（蛋白胨葡萄糖培养基中常规维持。
感染粘质沙雷氏菌Db11的专性裂解性噬菌体Semad11于2009年从芬兰于韦斯屈莱的一个污水处理厂分离得到。Semad11是一种T7样噬菌体，属于短尾噬菌体科（A-M.Ormala-Odegrip，未发表数据）。
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