编译：微科盟Moon，编辑：微科盟茗溪、江舜尧。

导读  

新一代测序技术（next-generation sequencing）的进步使得确定不同系统和不同组装过程中微生物组的组成成为可能。虽然目前在群落组成的决定性因素（deterministic drivers）研究方面取得了巨大进展，但对其中历史偶然性（historical contingency）发挥的作用仍然知之甚少。一个群落中新物种的建立可能取决于它们到达该群落的顺序和/或时间，这种现象被称为优先效应（priority effect）。本文综述了优先效应的机制及其在哺乳动物肠道、植物叶际和根际、土壤、淡水和海洋等环境中微生物群落中的重要性。除此之外，我们描述了在复杂微生物群落中直接测定和预测优先效应的方法，并通过对公共植物和动物微生物组数据集的重新分析来对这些方法进行举例说明。最后，我们讨论了在研究过程中涌现的共同原则，重点在于生态进化动力学（eco-evolutionary dynamics）以及研究尺度的重要性。总的来说，我们认为，预测当前的群落状态何时以及如何影响新到达微生物类群的成功建立是协调微生物群落以维持生态功能和宿主健康的关键。最后，我们讨论了在测量微生物群落的优先效应时面临的一些重要概念和实际挑战。

论文ID

原名：Priority effects in microbiome assembly

译名：微生物群落形成过程中的优先效应

期刊：Nature Reviews Microbiology

IF：60.633

发表时间：2021.8.27

通讯作者：Reena Debray & Robin A. Herbert

通讯作者单位：加利福尼亚大学伯克利分校

DOI号：10.1038/s41579-021-00604-w

综述框架

主要内容

1. 概述 

几十年的生态学理论（ecological theory）和野外实验（field experiments）表明，生态群落的初始形成或受干扰后的恢复可能取决于物种到达的顺序等历史过程。到达历史影响演替过程发生在，当较早到达的物种通过改变资源或环境条件的方式影响较晚到达的物种，从而影响它们在群落中立足的能力的时候，这些相互作用被称为优先效应（Priority effects）。因此，关于动植物群落优先效应的知识对生态恢复和农业实践具有重要的指导意义。

直到最近，我们对复杂微生物群落历史形成过程的认识，一直受到分析微生物群落成员及其相互作用的方法学限制。现在，越来越多的证据表明微生物群落也存在重要的优先效应，这些效应已经被证明会影响不同栖息地的微生物群落，如哺乳动物的肠道和皮肤，植物叶片、花蜜和根以及陆生和水生环境等。在这些生态系统中，微生物组组成与宿主健康和/或生态系统功能具有相关性，因此，优先效应是农业生产、物种保护和医药卫生行业中微生物组管理和操作的重要途径。

其他系统中丰富的优先效应研究历史为微生物生态学家提供了一个很好的框架来比较和对比微生物群落的形成。然而，群落观测规模、复杂性和生活史的差异可能限制了微生物群落理论预测的应用。为了应对这些挑战，我们回顾了已有的微生物群落优先效应的机制和例子; 讨论物种了到达顺序的影响何时以及如何影响微生物组的功能; 描述了能够在复杂、物种丰富的群落中确定优先效应的实验和统计方法；最后，强调了微生物和它们所居住的环境 (包括它们的真核宿主) 的特征，这些特征会影响系统中优先效应的可能性和结果。

  2. 优先效应的机制

初代生物 (primary succession，无菌底物中的第一批生物) 和二代生物 (secondary succession，再生长和受干扰后恢复的生物) 可能具有多种发展轨迹，这取决于早期定植的物种如何影响后到达物种（图1）。早到物种和晚到物种之间的相互作用可以由营养资源 (trophic resources，如限制性营养) 或非营养资源 (non-trophic resources，如提供应激保护的微环境) 介导。虽然优先效应最常在群落初始形成期或恢复期间被检测到，但它们描述了已建立群落的组成对到达物种的作用，并且不受栖息地创建或受到干扰的时间的影响。

 图1. 在假定陆地生态系统中，大型生物之间和它们携带的微生物组成员之间的优先效应。a. 早期种植的豆科作物通过保留氮肥促进玉米等谷物高产。b. 耐氧细菌消耗氧气以促进专性厌氧菌在新生儿肠内的定植。c. 牛踩踏影响土壤压实和水分保持，抑制新幼苗的萌发和生长。d. 在许多哺乳动物中，早期接触病原体可使其对亲缘关系较近的细菌产生交叉免疫。e. 早种植的植物通过抢占养分和光照来抑制晚种植植物的生长。f. 早到的根相关细菌可以通过抢占铁等必要营养物质来抑制晚到的菌株。

  2.1 “抢占生态位”（Niche pre-emption）

当一个早到物种耗尽系统资源，从而抑制了晚到物种在该群落的建立，这种情况称为“抢占生态位”。多项证据表明，“抢占生态位”，特别是营养竞争，是微生物组形成的一个重要过程。在原生动物、细菌或酵母等的简化群落（simplified communities）中，早期到达者通常能够完全排斥晚到达物种。在拟南芥叶际和婴儿肠道中跟踪演替过程的扩增子调查（amplicon surveys）显示，生态相似的细菌倾向于出现在相同的寄主种群中，但单个宿主中由不同细菌种类占优势。在拟南芥研究中，温室内植物的空间布局影响了微生物群成员的初始暴露，早期建立的菌株抵制后续到达的菌株占据同一生态位置。此外，优先效应在需要相同资源的物种中往往表现得最强烈，例如，可以根据接种顺序预测氨基酸消耗相似的花蜜酵母品种之间的生长。许多微生物的生活史特征还不是很清楚，并且可能与标记基因序列（marker gene sequences）之间不存在相关关系。因此，代谢模型（metabolic modelling）或宏基因组分析（metagenomic analyses）结合微生物功能和涉及到达顺序的实验方案，已被证明能够揭示这些复杂的优先效应的影响。

其他限制性营养素的相对浓度可能可以改变或抑制抢占营养素的效果。例如，藻类之间存在对硅酸盐或磷酸盐的竞争关系，它们可以共存或相互排斥，这取决于淡水中这些营养物质的浓度。同样，细菌和花蜜菌群中的酵母对氨基酸的竞争关系依赖于温度，可能一部分原因是竞争者新陈代谢变化的作用。因此，一般来说，一般不适宜居住的环境可能会通过限制早到达种群的增长和减少其增加到不可侵入密度的机会等方式，来弱化微生物群落的优先效应。

非营养性资源对物种建立也至关重要，具有形成优先效应的可能。“抢占生态位”也可能通过空间竞争 (包括干扰竞争) 的形式发生。例如，外生菌根真菌在植物根上竞争生存空间。在小鼠肠道中，较早到达的拟杆菌Bacteroides渗透并占满结肠深部隐窝，迫使后续到达的细菌只能占据可以被免疫系统清除的位置。虽然简单的竞争模型通常可以预测优秀竞争者的成功，但结合”抢占生态位”可以预测物种可以通过提前到达某个生态位而获得优势，尽管其特征可能会限制它们的竞争适应性。

  2.2 “促进生态位”（Niche facilitative modification）

当一个早到物种改变环境，使另一个晚到物种受益的情况称为促进生态位（Niche facilitative modification）。促进作用（facilitation）在微生物群落中也很常见，许多菌株可以代谢其他生物的副产物。促进式优先效应也可以通过减轻环境压力的方式发挥作用：在恶劣的环境中，例如在植物叶际，到达的菌株在多细胞微生物聚集物中有更高的存活几率，因为这些微生物聚集物产生了减少脱水压力的细胞外多糖。跟“抢占生态位”一样，作为促进作用基础的生态相互作用往往依赖于资源的可用性，因此促进式优先效应也可能高度依赖于环境。

在宿主相关的微生物群中，早到达物种也可以通过改变宿主的生理或免疫状态的方式有利于晚到物种的建立。例如，一些与植物相关的细菌可以改变宿主组织，增加营养物质外漏。此外，许多微生物，特别是病原微生物，在它们建立宿主免疫时，会抑制宿主免疫系统，从而促进其他微生物的定植，否则这些微生物将被同一免疫途径识别。由于宿主免疫基因和病原体效应物质的快速共同进化，这种效应的强度和方向高度依赖于宿主和病原体的基因型，如Xanthomonas perforans强毒株可抑制番茄的免疫应答作用，促进沙门氏菌Salmonella enterica定植，而Xanthomonas perforans无毒株则可刺激免疫应答，从而抑制Salmonella enterica。类似地，被真菌Zymoseptoria tritici感染会抑制小麦的免疫反应，促进Pseudomonas syringae的定植，但这种情况只发生在对Zymoseptoria tritici易感的小麦品种上。在Zymoseptoria tritici抗性品种中，则发生相反的情况：小麦Zymoseptoria tritici侵染刺激小麦的免疫反应，并抑制后续被Pseudomonas syringae定植。

许多微生物可以促进其他物种通过基质或向宿主组织周围扩散。例如，渗析营养真菌的菌丝可以创造一个物理支架和周围的微水环境，以此来增强运动型细菌 (如奶酪外皮中的Serratia proteamaculans) 的扩散。在这种情况下，某个群落已有的物种通过增加它们与环境的接触来促进新物种的建立。

  2.3 “抑制生态位”（Niche inhibitory modification）

“抑制生态位”指一个系统中早到的物种改变了环境状况 (而不是资源水平) 以减缓或阻止晚到物种在该系统的建立。“抑制生态位”由明显竞争（apparent competition）或干扰竞争（interference competition）引起。明显竞争产生优先效应的最佳例子是由宿主免疫介导的。Bacteroidetes和Firmicutes中许多细菌在人体肠道中产生短链脂肪酸，刺激粘液和上皮细胞的生长和抗菌肽的产生，造成后续肠道病原体定植的减少。相反，像Salmonella enterica subsp.  enterica serovar Typhimurium这种病原体可以调节宿主免疫系统以抑制肠道共生菌并促进自身生长。事实上，尽管通常会严格考虑病原体与宿主之间的分子相互作用，真菌植物病原体Verticillium dahliae分泌的效应蛋白Ave1也可以降低番茄和棉花植株中的细菌密度，从而为后续真菌定植“扫清道路”。病原体还可以通过其他方式重塑宿主环境，例如通过宿主组织的坏死，这对在宿主中生存的微生物的多样性和组成产生负面作用，这些作用可能有助于解释为什么患病宿主中微生物群落多样性会降低。

共同的原生动物或病毒捕食者导致的明显竞争可能在微生物群落中很常见，因此这可能是早期到达的物种抑制其他物种随后定植的重要机制。例如，温和噬菌体（temperate phages）侵入细菌的基因组中，但偶尔也会进入裂解周期并感染邻近细胞，包括竞争对手。支气管炎博德特菌Bordetella bronchiseptica中的温和噬菌体会限制了在纯培养过程中另一株噬菌体易感的B. bronchiseptica的定植。明显竞争可能会在许多其他方面影响并使优先效应更加复杂，因为捕食可以减慢早期物种的营养消耗或生态位构建活动，选择高代价的抗性性状，并释放隐藏在休眠细胞中的营养物质。越来越多的证据表明，微生物中的病毒也可以与真核宿主相互作用；例如，铜绿假单胞菌Pseudomonas aeruginosa噬菌体的裂解产物增强了小鼠肺中的抗病毒免疫反应，从而抑制了宿主对细菌的反应。这些研究强调了未来研究需要确定捕食和寄生在微生物组形成中的必要性。

最后，细菌产生的化合物可以直接抑制宿主相关和环境群落。在这些情况下，干扰竞争可能导致生态位抑制性改变而不会导致“抢占生态位”，因为早期到达者让一个系统的环境状况退化，而不用它自己占用该生态系统。在小鼠盲肠中，Bifidobacterium animalis subsp. lactis产酸降低了环境pH值，为诱导结肠炎的Enterobacteriaceae创造了一个不利环境。在奶酪和酵母等发酵食品中，Lactobacillus和Lactococcus可以产生对Salmonella paratyphi等食源性病原体具有抗菌活性的细菌素。在人的肠道和牙齿上，微需氧细菌相继较早地到达该环境并不断消耗氧气，以此限制了其他需氧生物在该位置的建立，同时促进厌氧菌的定植。

  2.4 优先效应的功能结果

众所周知，不同的物种可以扮演相似的生态角色，这一特征加大了解释跨时间或空间的群落组成更替的难度。功能冗余（functional redundancy）指两个不同的生物类群具有相似的生态系统功能 (例如，在微生物群落中通过基因含量、化学生产力或宿主结局来测量)，这一现象似乎在微生物群落中很常见。尽管如此，微生物组形成历史已经被证明会影响群落水平和生态系统水平的特征，包括生物量分布、分解速率、营养素的循环、宿主健康和生产力-生物多样性关系。这些现象引出了一个问题，即微生物群落形成历史的影响何时以及如何具有功能意义。

一个对此有用的准则是考虑物种对资源的需求和对环境的影响 (也被称为guild或功能团) 。根据机制的不同，优先效应可以发生在资源需求相似或不同的物种之间，但当它们发生在功能群相似的物种之间时，不太可能影响功能（图2a，b）。但是，有许多方式可以使优先效应在具有不同环境影响的物种之间发生。生态上不同的生物类群可以通过改变资源或环境条件 (包括共同捕食者的数量) 来影响彼此。然而，在需求和影响存在差异的物种可能都受到一种基本资源的限制，或者相反，需求相似的物种可能在一个或几个关键基因上存在差异，从而变为不同的环境作用（图2c-e）。后一种情况可能在微生物群落中特别常见，因为在微生物群落中，亲缘关系相近的菌株往往通过存在或不存在某个基因而不是通过单核苷酸多态性来进行区分。这一框架的一个重要注意事项在于，物种丰富的微生物群落比多样性较少的微生物群落包含更多具有独特功能和功能冗余的生物类群; 因此，优先效应对生态系统功能的影响可能取决于群落的环境状况。

图2. 对功能有不同影响的优先效果例子。a.“抑制生态位”可以发生在不同资源需求的物种之间。b.生态性质相似的物种之间的优先效应不影响微生物组的功能。c.早期到达者的生态改变可以促进或抑制功能独特的微生物定植，改变群落的功能。d.生态位抢占可能发生在生态位不同的物种竞争资源时。e. 当需要相同资源的微生物在一些关键特性上（例如是否存在导致植物冻害的冰核蛋白）存在差异时，它们之间的“抢占生态位”仍然可以影响功能。值得注意的是，只描述了从所引用的案例研究的测量结果中推断出的资源需求和环境影响的各个方面，以说明群落历史和各种功能特征之间的关系，而不试图总结微生物龛的所有可能组成部分。

  3. 微生物群落中优先效应的检测

虽然简化微生物群落的研究对于确定优先效应的具体机制至关重要，但这些结果适用于真实群落或复杂群落的程度仍不清楚。在自然微生物群落中，各种优先效应的机制有多普遍?它们影响哪些生物类群?它们对整个群落组成有何作用? 在这篇综述中，我们总结了微生物组数据的分析方法，以提供一个兼容微生物组研究中研究系统和采样方案多样性的分析架构。

  3.1 多途径综合

改变单个菌株或整个菌群的到达顺序的实验研究，可以直接衡量优先效应在群落形成中的作用和外部因素对这些效应的重要性。对植物叶际和小鼠肠道微生物组形成的实验分析显示，大多数观察到的优先效应是抑制作用，只有少数菌株受优先效应的促进作用。在叶际微生物组分析案例中，通过单菌株实验发现大多数观察到的优先效应由少数菌株引起。在小鼠肠道中，优先效应在很大程度上独立于宿主免疫反应，这表明大多数优先效应由细菌-细菌之间的直接相互作用引起。然而，研究单个菌株的影响需要培养分离株，而只有少数细菌很容易在不同生态系统中进行培养。在一些情况下，难以培养的生物体共培养，依赖其他微生物获得它们自己不能产生的化合物，如氨基酸、维生素或铁载体等。这种极端的代谢依赖现象表明，在微生物组形成过程中，未培养微生物可能受其他类群的存在或缺失的影响。事实上，这可能有助于观察实验室研究中的抑制性相互作用。因此，尽管在探索群落形成机制方面的实验方法具有明显效果，但仅使用可培养菌株来衡量优先效应可能会错过许多有趣或有用的结果。

诸如用单个菌株接种到已建立的微生物群落，来研究在不同微生物群落的成功定植，或者相反地，用特定的分离株接种宿主，然后让其自然定植等方法，也都是实验性的，但可以将目前存在未培养微生物的多种群落纳入分析。例如，由预先定植单真菌菌株的木盘在落叶中放置12个月后，会根据先前定植的物种不同而发展出不同的微生物群落。当确定了感兴趣的细菌菌种，但它们在整个群落中的相互作用尚不清楚时，这些方法能提供最多信息。

从全面分析的数据集中最能获得真实微生物群落动态，尤其是涉及稀少和/或未培养生物类群的相互作用，但这种方法可能很难解释机制或因果关系方面的问题。历史上，生态学家利用岛屿形成或重大干扰等自然现象来确定群落在演替开始或重置时是如何形成的。类似地，可以在新宿主初始发育期间或在使用抗生素治疗后分析微生物组的形成。早期的扩增子分析结果显示，剖腹产出生的婴儿比阴道分娩出生的婴儿从母亲那里获得的早期微生物群比例更少，这一特征贯穿整个生命早期。虽然目前还不可能排除扩散限制（dispersal limitation）或环境差异的作用机制，但最近的研究将这种差异归因于Bacteroides (在阴道出生的婴儿中更多) 和Bifidobacterium (在剖腹产出生的婴儿中更多) 之间的“抢占生态位”。这两个细菌属中含量最丰富的一个对婴儿肠道中母乳单糖分解的贡献最大。观察性研究也显示，抗生素干扰后人体肠道微生物的形成过程取决于某些细菌的活动。在几个人类队列研究中，与抗生素恢复相关的细菌类群富含编码碳水化合物降解酶的基因，尤其是那些降解宿主来源的粘蛋白的细菌，这一观察结果表明，宿主衍生代谢物的初始分解可以支持二级或三级物种的生长 (促进生态位) ，并为恢复到使用抗生素前的细菌多样性水平铺平道路。

  3.2 鉴定微生物类群以供进一步研究

设计微生物到达顺序的实验可以直接检验因果关系，但是这在复杂的生态群落中是一项重要而困难的任务。然而，在缺乏哪些生物类群之间存在相互作用的先验假设的情况下，对群落中所有菌株进行排列组合无疑是一次工作量巨大的“大海捞针”。但是，有了合适的观察数据集，就有可能利用统计方法预测哪些类群是值得研究的，并缩小后续实验验证的研究范围。通过重新分析人类、小鼠和牛肠道微生物群的公开数据，我们证明了有一种方法可以做到这一点。在一定时间范围内对宿主重复采样可以获取单个生物类群的到达时间和在这个系统的维持时间（图3a）。如果研究队列足够大，单个生物类群在某系统的维持的变化可能与它们到达之前的该系统原有微生物组组成有关（图3b,c）。在不同数据集中，抑制性优先效应总是发生在亲缘关系较近的微生物之间，而不是随机发生的（图3d）。这种模式反映了在水生微生物、花蜜酵母群落和益生菌临床试验的实验中，常驻菌株限制了其他亲缘关系较近菌株在同一系统的后续建立。

在许多情况下，由于破坏性采样、微生物群落的空间结构或长期从同一个体宿主获取样本的困难，重复分析同一群落可能具有一定的难度。当无法进行时间序列采样时，最好从不同时间点采样的大量宿主中获得数据。例如，在三个不同的田间地点使用不均匀生长的四种植株基因型进行田间试验时，在水稻根系微生物群发育之后，每周或每两周对植株进行破坏性取样，直到水稻成熟和衰老。在这些高分辨率的数据集中，可以通过将单个生物类群的丰度 (而不是持久性) 与其余群落的组成以及其中的个体品系相联系来鉴别值得研究的菌株（图4a，b）。利用这一信息，就有可能设计补充性的实验室实验，来明确检测涉及已确定菌株的优先效应。一般来说，为了充分理解复杂系统中的生态形成过程，往往需要整合多个证据，包括数学预测、实地观察和实验室实验。

图3. 在时间序列微生物组数据中检测优先效应的方法。a. 对单个宿主的重复采样可以计算每个宿主-菌株组合的到达时间和持续时间。对出生后头三年每月取样的婴儿肠道群落数据的重新分析表明，婴儿之间的操作分类单位（OTU）的持久性存在差异。这里，我们展示了一个代表性的OTU在三个婴儿中的持久性。持久性被定义为首次到达后6个月内相对丰度大于零的比例（用虚线之间的阴影板表示）。b. 单个菌株在宿主间的持久性变化可能与宿主的微生物组组成有关。在此，我们展示了一个主坐标分析（PCoA），其中每个点都代表了在Alistipes sp.（OTU17）到达婴儿宿主之前的微生物群组成。聚类表明，与Alistipes sp.的高持久性相关的居民微生物组与与Alistipes sp.的低持久性相关的微生物组不同。椭圆对应于基于k-means聚类的95%置信区间。c. 当某生物类群到达一群落后的持久性与原有微生物组组成密切相关时，负二项回归可以用来识别区分高持久性和低持久性结果的微生物组特征。在此，我们展示了通过这种方法确定的两个分类群，预测Alistipes sp.（OTU17）的持久性。误差条代表95%的置信区间（平均值标准误差的1.96倍）。d. 我们将a-c部分所描述的方法应用于已发表的小鼠、人类和牛在出生后1-3年内的肠道微生物组数据分析。在每个数据集中，将预测的OTU对的观察到的系统发育结构与通过测量整个数据集中相应大小的OTU对样本的1,000次排列的系统发育结构产生的空分布进行比较。在所有的研究中，1000个排列组合中