摘要
裂解性噬菌體和原生動物捕食者是自然微生物群落中細菌死亡的主要原因，這也使得它們成為細菌病原體生物防治的潛在候選者。然而，關于噬菌體和原生動物對水相和生物膜相細菌生物量動態(tài)的相對影響知之甚少。在此，我們進行了一項微觀世界實驗，研究機會致病菌粘質沙雷氏菌在長達8周（約1300代）的時間內暴露于顆粒取食的纖毛蟲、表面取食的變形蟲和裂解性噬菌體的情況下，細菌生物量的時間和空間動態(tài)。我們發(fā)現(xiàn)，在開放水體中，纖毛蟲是減少細菌生物量最有效的敵害類型，但在減少生物膜生物量方面效率最低。生物膜對食菌動物具有相當的抵抗力，但變形蟲對開放水相和生物膜中的細菌生物量均具有顯著的長期負面影響。噬菌體對開放水相和生物膜中的細菌生物量僅有輕微的長期影響。然而，用祖先噬菌體和細菌進行的獨立短期實驗表明，噬菌體在最初24小時內會急劇摧毀開放水相中的細菌生物量。此后，細菌進化出噬菌體抗性，這在很大程度上阻止了上行效應。三種敵害類型的組合在減少生物膜生物量方面最為有效，而在開放水相中，纖毛蟲主導了營養(yǎng)效應。我們的結果強調了敵害取食模式對決定細菌生物量空間分布和豐度的重要性。此外，敵害類型是預測快速防御進化是否能顯著影響細菌上行調控的關鍵預測因子。
引言
細菌群落受資源可用性（“上行控制”）和更高營養(yǎng)級生物（“下行控制”）的調控。噬菌體和原生動物是細菌死亡的兩個主要生物原因，盡管在特定的時間點和地點，一個或另一個敵害群體可能占主導地位。這使得噬菌體和原生動物成為細菌病原體生物防治的潛在候選者。然而，關于噬菌體和原生動物對水相和生物膜相細菌群落相對影響的研究尚少。
關于原生動物捕食者和噬菌體在調節(jié)細菌豐度方面的相對影響已有許多研究，但這些研究的結果多種多樣：例如，對自然水生系統(tǒng)中病毒誘導死亡率的估計從20%到100%不等。其原因可能是大部分數據來自野外（估計的生物量消耗常常與許多其他環(huán)境因素混淆，如溫度、資源可用性和光照），并且獵物的效應大小通常是間接測量的。因此，也應該通過在受控實驗環(huán)境中直接測量生物量變化來研究噬菌體和原生動物在控制細菌生物量方面的影響。
我們進行了一項微觀世界實驗，將機會致病菌粘質沙雷氏菌暴露于裂解性噬菌體Semad11以及兩種典型的原生動物捕食者：顆粒取食的纖毛蟲嗜熱四膜蟲和表面取食的變形蟲卡氏棘阿米巴。為了研究原生動物和噬菌體對水相和生物膜相細菌生物量的時間和空間動態(tài)的影響，將細菌單獨培養(yǎng)，或與單一敵害或所有敵害一起在靜態(tài)微觀世界中培養(yǎng)，模擬淡水池塘環(huán)境，持續(xù)8周（約1300個細菌世代），期間每周測量自由水相和生物膜相的細菌生物量。同時，在整個實驗過程中跟蹤原生動物捕食者的種群動態(tài)。這種實驗設置有許多優(yōu)點，包括直接測量細菌生物量，易于操縱環(huán)境變量（如營養(yǎng)、溫度和光照），以及可以儲存和復活實驗菌株，從而允許直接比較祖先和進化后的菌株。這樣的微觀世界實驗也允許大種群規(guī)模和世代數。
我們假設：（1）寄生性噬菌體最初在調節(jié)細菌豐度方面非常有效，而由于世代時間的差異，原生動物的效應增加較慢；（2）原生動物不同的取食模式可以造成細菌群落結構的空間差異：作為表面取食者，預期變形蟲主要減少細菌生物膜，而顆粒取食的纖毛蟲減少開放水體的生物量；（3）預測噬菌體抗性的進化會迅速減弱噬菌體對細菌的影響；（4）關于細菌-纖毛蟲系統(tǒng)的理論和先前的實驗工作表明，與細菌獵物相比，原生動物捕食者的共同進化能力有限。因此，我們預期細菌獵物防御進化得更強，并且由原生動物進行的生物量調控將隨時間緩慢減弱；以及（5）預期所有敵害群體的組合效應對細菌的影響最為顯著，因為這使得細菌獲得空間避難所的機會最少，并且如果防御是代價高昂且群體特異性的，也能更有效地阻止防御進化。
我們的結果表明，敵害的取食模式影響細菌的空間分布和豐度。顆粒取食的纖毛蟲是減少開放水體中細菌生物量最有效的敵害類型，但在減少生物膜生物量方面效率最低，而變形蟲減少了開放水相和生物膜中的細菌。變形蟲對細菌生物膜的取食效應在實驗末期最為明顯。噬菌體對細菌生物量的長期負面影響幾乎可以忽略不計，盡管用祖先噬菌體和細菌進行的實驗表明，噬菌體有能力在24小時內裂解大部分開放水相中的細菌生物量。這表明，由于快速的防御進化，與原生動物進行的下行調控相比，噬菌體進行的下行調控效應是時間依賴性的，并且在長期內影響較小。敵害的組合效應對生物膜生物量的影響最為顯著。
材料與方法
研究物種和菌株
細菌粘質沙雷氏菌菌株Db11由Hinrich Schulenburg教授惠贈，最初從死亡的果蠅中分離得到。粘質沙雷氏菌是一種環(huán)境生長的革蘭氏陰性菌，也是機會致病菌，感染廣泛的宿主，包括植物、珊瑚、線蟲、昆蟲、魚類和哺乳動物。粘質沙雷氏菌通常以自由生活形式存在于土壤、淡水和海洋生態(tài)系統(tǒng)中，并經常遭遇寄生性和捕食性敵害。
捕食性顆粒取食纖毛蟲嗜熱四膜蟲菌株ATCC 30008（最短世代時間約2小時，購自美國模式培養(yǎng)物集存庫，通常在25°C下于PPY（蛋白胨酵母培養(yǎng)基）中常規(guī)維持。
自由生活變形蟲卡氏棘阿米巴菌株CCAP 1501/10（世代時間約7小時）購自藻類與原生動物培養(yǎng)物保藏中心（英國安布爾賽德渡船屋淡水生物協(xié)會），通常在25°C下于PPG（蛋白胨葡萄糖培養(yǎng)基中常規(guī)維持。
感染粘質沙雷氏菌Db11的專性裂解性噬菌體Semad11于2009年從芬蘭于韋斯屈萊的一個污水處理廠分離得到。Semad11是一種T7樣噬菌體，屬于短尾噬菌體科（A-M.Ormala-Odegrip，未發(fā)表數據）。
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