混合细菌群体内的竞争可以产生复杂的生长动态

混合细菌群体内的竞争可以产生复杂的生长动态。LMU研究人员正在探讨差异增长率和随机因素之间的相互作用，以确定这些人群的组成。

细菌如何应对环境波动?他们如何应对非生物胁迫或与其他微生物竞争?在混合人口中，哪些因素决定了哪些竞争物种或菌株最终胜出?这些问题不容易回答，因为细菌群落代表了复杂而动态的生态系统。可以借助于动力学定律和概率论在抽象水平上研究生长速率波动对细菌培养物的影响，但结果必须通过实验来验证。由Madeleine Opitz博士领导的LMU生物物理学家团队，现在已经使用这种实验和数学理论的组合来理解 - 从几百个细胞到由数十亿成员组成的可见集落 - 这些混合细菌种群的组成变化，其组成菌株相互竞争。结果显示在开放访问期刊中PLOS生物学。

该研究显示，在Opitz及其同事选择的模型系统中，当细胞数量仍然相对较小时，获胜方在人口增长的早期阶段变得明显。研究人员检查了由两株大肠杆菌组成的混合种群的生长动态。其中一种可以合成和释放称为ColicinE2的毒素，第二种菌株对其敏感。

仅凭这些信息，就不需要花太多时间来确定哪种应变能够胜出。但实验系统相当复杂。首先，起始种群中毒素敏感细胞的数量超过毒素生产者的数量100倍。其次，并非每个潜在的生产者实际上都合成了ColicinE2，而且毒素的释放伴随着生产细胞的死亡。。在这些条件下，生产者应变中会出现明显的分工。一些细胞产生毒素，而其余细胞则承担繁殖和繁殖的任务。采用这些角色的细胞部分部分取决于环境的性质。在压力条件下刺激毒素产生，研究人员通过向培养物中添加不同浓度的抗生素来实施。正如Opitz解释的那样，抗生素形式的压力会激活细菌中特定类型的SOS功能，从而引发对策并促进毒素的产生(而抗生素也会降低整体生长速度)。

在没有添加抗生素诱导的应激的情况下，敏感菌株在开始时以毒素生产者的100倍过量存在，通常会胜出，尽管在这些条件下也观察到两种菌株的稳定共存。。另一方面，在含有低水平抗生素的培养物中，生产者群体内的分工使其具有决定性的优势，并且在绝大多数情况下，它成为胜利者。

尽管生殖和毒素生产的“责任”分布定义了可获得的结果范围，但是在接种培养物后的最初几个小时内产生毒素的菌株的个体成员做出的决定决定了每个竞争的实际结果。单个细菌细胞产生ColE2的“决定”是随机事件。可以预测一系列随机事件的平均结果，就像一系列骰子投掷结果的整体分布一样。但是，任何给定细胞产生毒素的可能性都不容易评估。这些统计波动产生背景噪声，这使得数学模型难以针对这种概率过程的各个迭代提供清晰的预测。Opitz说，在初始接种物中偶然包含产生毒素的细胞(1或4)对竞争结果有重要影响。

“这是有趣的观察，”言论第一作者本尼迪克特·冯·布朗克，通过在一开始就存在于培养细菌的小号码中随机事件决定选择怎样对一个更大的组成这种影响人口的细胞在很久以后。“

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