强调
- 微生物组管理可以维持面临气候变化的系统的功能。
- 微生物组拯救重新引入因干扰而丢失的功能成员。
- 救援可以是人口统计学的、功能性的、适应性的和/或进化的。
- 确定性救援机制可以指导干预以稳定功能。
- 迫切需要评估微生物从休眠中重新激活作为一种拯救策略。
地球的气候危机有可能破坏生态系统服务并破坏粮食安全。面对气候变化，微生物组管理将成为维持生态系统和植物稳定的微生物功能的综合战略的重要组成部分。微生物组拯救是在环境干扰后微生物种群和功能丧失的定向社区水平恢复。微生物组救援旨在推动社区功能的弹性轨迹。可以通过干扰敏感种群的人口统计、功能、适应性或进化恢复来实现救援。各种生态机制支持拯救，包括分散、从休眠中重新激活、功能冗余、可塑性和多样化，这些机制可以相互作用。值得注意的是，控制微生物从休眠中重新激活是一个可能富有成果但尚未充分探索的救援目标。
介绍
复原力是系统（例如，植物、土壤或微生物组）在受到干扰改变后恢复的能力，是生态稳定性的重要组成部分11 , 12•• , 13（图 1）。环境微生物组提供了反馈地球气候的关键功能1 , 2 , 3 , 4。因此，了解和预测干扰如何改变微生物组的功能是稳定系统和适应气候变化的综合战略的必要组成部分。此外，由于微生物组是土壤和植物系统的协同组成部分5、6、7, 微生物组管理8 , 9 , 10将通过支持土壤和植物的复原力来保护生态系统服务和粮食安全。
图 1。Allison 和 Martiny 2009 [70]扩展的微生物组对干扰的反应概述。抵抗力、恢复力、功能冗余和状态转变是干扰后可能的微生物组结果（橙色闪电）。两个微生物组响应变量是结构（分类单元的组成和相对贡献，正方形）和功能（性能或来自社区的输出，椭圆形）。灰色箭头显示干扰引起的微生物组轨迹。可能有利于微生物组拯救机会的潜在干预点用蓝色星星表示，替代轨迹作为干预结果用带方向箭头的黄线表示。第一个微生物组结果，耐药性，是当微生物组对结构和功能的干扰不敏感并且在事件发生后保持不变。第二个结果，弹性（又名“工程弹性”）是当微生物组在结构和功能上都发生变化以响应干扰但最终在两个变量上恢复。第三个结果是功能冗余，即微生物组结构在干扰后仍保持改变，但功能完全恢复。冗余归因于不同的微生物种群能够在功能上相互替换而不会对性能产生可测量的影响，并且可以说对于高度多样化的微生物群落是预期的。一个额外的结果，政权转变，是指结构和功能发生根本性改变且无法恢复时，通常能源和资源的可用性或利用率发生明显变化，表明社区采用了另一种状态。插图“球窝”图显示了(a)在单一状态下发生的“工程弹性”和(b)之间的概念关系横跨多个州的“生态恢复力”。临界阈值（绿色虚线）是制度转变不可避免的点，并且通常由系统中方差增加/时间稳定性降低来预测。临界阈值之前的干预被认为更有可能成功（深蓝色星），而临界阈值之后的干预被认为更激进，有成功的机会（浅蓝色星）。然而，微生物系统需要更多的实证研究来理解多态动力学及其潜在的共性。
在许多生态系统中，反复观察到微生物组对各种干扰11、12••、13高度敏感，但通常也具有高度的弹性，即使在那些看似强烈、极端或不自然的干扰（例如14、15、16••、17 , 18). 尽管对微生物组干扰生态学进行了数十年的研究，但关于驱动恢复力的生态和进化机制及其对微生物组对干扰的反应的相对贡献仍然存在关键的知识空白。该领域如何从简单地识别和描述微生物组对干扰的反应模式中取得进展？该领域如何朝着预测、预报和微生物组管理方向发展，以在快速变化的星球上维持关键的微生物功能？
微生物组拯救是成功恢复在干扰期间受损的多个功能种群。因此，对干扰敏感人群的集体救援可以推动功能恢复的社区轨迹。通过救援促进对微生物组恢复力生态学的理解，可以指导、开发和测试微生物组干预措施在土壤和植物（包括农作物）中的效用。最近几篇优秀的文章为此处介绍的内容提供了协同的想法（例如12••、19•、20•、21). 在承认和衔接这些作品的同时，这项工作的重点将是探索一个概念框架，该框架可以被调查以告知恢复力的生态机制。这些机制可以通过指导微生物群落的拯救来支持面临气候变化的植物和土壤。
微生物组拯救的一个区别是强调微生物群落的弹性及其作为一个系统的功能。相比之下，以前的工作侧重于拯救宿主支持的微生物种群和宿主的结果（“微生物拯救”，例如[19]）。相关的“社区救援”已被指定为响应致命干扰而进化的种群（例如[21]），随后的研究进展以考虑生态适应与进化的可能性（例如16•• , 17）。
微生物组拯救框架（图 2）受到进化概念的启发，以减轻由于规模缩小和瓶颈而面临灭绝风险的种群[22]。微生物组拯救与时间周转的生态学概念相关，时间周转是指随着时间的推移，一些种群被其他种群取代[23]。不同类型的救援以及支持它们的机制可以相互作用或协同作用，以最大限度地提高社区恢复力的轨迹，以实现完全的功能恢复（图 2）。救援要考虑的关键参数包括干扰造成的死亡率的程度和自由裁量权（干扰选择性，方框 1，图 3)和最有可能的救援者来支持后干扰环境中最有可能的救援机制(图2 )。
图 2。微生物组救援框架，用于在干扰后恢复关键功能。干扰会导致敏感人群死亡。人口、功能和适应性救援依赖于生态选择。进化拯救依赖于多样化（新遗传物质的获得），它在干扰的情况下提供优势但没有功能成本。具有相同颜色和形状的微生物形状代表来自相同种群的个体。带有填充颜色和实线的微生物形状代表活跃个体，没有填充和虚线的形状代表敏感/死亡个体。
谁抵抗，谁迷失，谁应该被拯救？考虑干扰后的死亡率以告知救援策略。
微生物群由许多种群组成，它们共同表现出对干扰的一系列敏感性，微生物群落或功能的丧失程度将直接影响有效救援策略的确定。对于救援，重要的是要考虑在干扰的情况下选择哪些微生物群落。这些人群可能需要作为一个队列来拯救。在这里，提出了一些术语来描述干扰的社区级死亡率，包括许多组成人口及其反应。这些术语将适应性和选择的概念与干扰强度的概念结合起来，可以说明通过救援启动弹性轨迹可能有多复杂。
选择性死亡是指对干扰敏感的种群完全或几乎完全消失。这种干扰对微生物群落的一个子集是致命的，但对其他种群无关紧要，它们仍然保持着完整的生存能力。可能导致选择性死亡的干扰示例包括选择性抗生素或重金属，或温度、pH 值或其他解释微生物栖息地主要生态位轴的非生物梯度的变化。选择性死亡可以破坏或重组幸存微生物种群之间的生物相互作用。事实上，重建生物相互作用对于微生物组的恢复力可能是必要的[52]如果这些相互作用唤起相互依赖性，而这种相互依赖性比保护功能的环境驱动因素相对更重要。在不敏感的人群中也存在潜在的间接损失或收益，例如，由于从竞争中解脱或失去协同合作伙伴53、54•。因此，了解微生物组相互作用网络如何决定群落功能对于指导救援至关重要。
部分死亡是指当干扰对所有种群公平作用时，所有种群的规模都会减少，但很少有人会因当地灭绝而完全消失。如果对微生物组有物理保护，如在结构异质的环境中，则可能会发生部分死亡。例如，一场只燃烧表层 5 厘米土壤的森林大火可能会被在较低深度幸存下来的受保护的微生物群成员重新播种。导致部分死亡的扰乱可能是救援的最佳情况，因为扰乱前的种群持续存在，并且可能随着环境的恢复而在最少干预的情况下集体恢复。
值得注意的是，一些研究报告说，导致部分或选择性死亡的低强度干扰可以使持久的人群在随后暴露于高强度事件时能够生存，否则预计会导致死亡（例如最近，16••，21 , 32•• )。这种情况在复合干扰的情况下也具有相关性[12]。
最后，大规模死亡率是所有微生物种群的完全或几乎完全局部灭绝。大规模死亡可能发生在极端、强烈或非自然干扰之后，例如火山喷发、剧毒化学品泄漏或严重辐射暴露。在没有干预的大规模死亡的情况下，主要继承从“空白”环境中进行39 , 40，通常由从区域元社区分散的移民细胞播种。导致大规模死亡的干扰事件为微生物组拯救的编排提供了最大的控制和潜力，因为在受干扰的环境中没有生物突发事件，例如竞争或入侵抵抗。在大规模死亡之后，微生物组拯救可能需要与生态系统恢复相结合，以促进微生物组的功能恢复。
图 3。了解干扰选择性可以告知救援策略及其成功的可能性。在此图中，不同的微生物种群由不同的形状和颜色表示。填充形状和实线表示活跃成员，虚线未填充形状表示对干扰和已故成员敏感。不分青红皂白地作用于微生物组的干扰会导致所有种群大量死亡 (a)，从而导致它们在当地灭绝。在异质环境或中等强度的干扰下，可能会发生部分死亡 (b)，其中大多数种群会因干扰而遭受一些成员损失，但在当地保留其他可行成员。最后，选择性死亡 ©当干扰消除或严重减少敏感种群子集的成员而同时留下可存活的抗性种群时，就会发生这种情况。图 2中针对每种救援类型展示了微生物组的潜在恢复结果示例。
人口拯救（图 2）是重新引入对干扰完全敏感的微生物种群。人口拯救的机制包括细胞在区域景观中的分散和从当地休眠池中的重新激活。同种群是救援人员，因为他们可能提供类似的功能。为简单起见，同种指的是与干扰敏感种群具有高度相似或相同基因型的种群，尽管应该承认种群内功能可能存在异质性。人口拯救的成功依赖于干扰后环境中原始微生物种群和功能的生态选择。值得注意的是，干扰后的环境可能与干扰前的环境不同，微生物活动可能促进环境恢复或重定向到不同的环境。
微生物群面临暂时改变环境的短期（脉冲）干扰可能比微生物群面临持久改变环境的长期（压力）干扰更有可能通过人口拯救恢复。人口拯救的主要短期环境干扰包括与天气有关的事件，例如干旱、洪水、热浪和寒流。由于人口拯救是用相同种群直接替换丢失的微生物种群，因此可以推断与其他拯救类型相比，它具有最低的难度和最高的潜力。因此，即使在不完全了解微生物组功能的情况下，人口拯救也可能是有效的，因为考虑到干扰前成员的恢复，原始功能可能会被保留。[14].
功能性抢救（图2) 是社区功能冗余的补充。换句话说，异种特异性成员被（重新）引入或激活，导致不同的组成但在干扰后具有相同的功能。与人口拯救一样，功能拯救机制包括区域分散和局部重新激活，以及局部功能冗余机制。敏感种群最有可能的拯救者包括异种特异性种群，它们在遗传上不像消失的种群，但提供相似的功能，可能具有相似的速率和效率。根据感兴趣的恢复功能，可以通过（元）基因组或特征预测可能的拯救者群体，这些特征可以告知重叠的功能途径和反应。例如，24、25等有人提出，尽管环境发生变化，但它们的高冗余度可能会导致功能稳定（参见参考文献[26]）。功能性救援可以支持压力或脉冲干扰后的恢复，并且在点环境污染（例如化学品泄漏）的情况下可能特别有用。例如，污染引起的社区容忍度考虑社区对污染物的容忍度如何随着暴露而提高并支持功能的稳定维持，尽管不可避免地会损失对污染物敏感的人群[27]. 功能拯救的成功依赖于干扰后环境中功能等效微生物种群的生态选择。作为一种定向的微生物组干预，可以推断功能性拯救具有中高难度，因为首先需要了解和针对特定的、所需的功能，以确保干扰后微生物组的维持。
适应性救援（图 2）是指干扰敏感种群的幸存个体在表型上适应干扰条件并持续存在但保持其原始遗传背景。因此，救援人员是干扰敏感人群中的幸存者。适应性拯救的一个例子是先验的群体内的表型异质性对即将发生的干扰表现出敏感和抗性表型。在这种情况下，抗性表型在干扰中存活下来，而敏感表型则没有，但最终，种群可以通过抗性细胞恢复。适应性拯救还可以包括表型可塑性，例如暂时进入受保护状态，例如孢子、囊肿或其他抗性表型（例如，当暴露于抗生素时不敏感并保持活力的持久细胞[28]）。适应性拯救也可能表现为抵抗力，并且可能在栖息在经历干扰机制的生态系统中的微生物种群中很常见。
适应性救援的成功依赖于干扰后环境中幸存细胞的生态选择，这可以通过非致命性暴露于干扰来驱动，在随后的更大强度暴露16•• , 17 , 21之前建立塑性耐受性。作为一种定向微生物组干预，适应性拯救可能相对具有挑战性，因为需要理解和响应控制表型适应的线索，无论是在干扰之前还是之后立即做出反应。
虽然表型机制支持适应性拯救，但基因型机制支持进化拯救。进化拯救（图 2）是当多个当地种群基因型多样化以相对于对干扰或干扰制度敏感的亲属具有选择性优势时，不会影响功能表现（也称为“社区拯救” [21]）。通过水平基因转移29 , 30或有益突变30 , 31在微生物组中发生多样化，导致选择性扫描。最有可能的救援者是部分敏感种群中的幸存者，这些种群在干扰后的环境中通过积极选择实现了多样化，但没有任何功能成本。此外，救援者可能通过水平基因转移成为优势基因的非亲属贡献者。进化拯救更有可能发生在媒体干扰之后、干扰机制内或与同样经历干扰的宿主共同选择中。事实上，之前的研究已经证明了暴露于复合压力干扰下的进化拯救的潜力16•• , 21. 作为定向微生物组干预，进化拯救可能难以实现。然而，最近的研究表明，在特定情况下，例如当高多样性群落以竞争性相互作用为主时，通过抗性基因的水平基因转移实现多样化可能会增加干扰后的群落稳定性[32]。此外，定向微生物组工程或异地协同进化应对预期干扰的潜力令人兴奋[33]。宿主工程或共同进化的微生物群可用作益生菌或生物接种剂，以测试其原位救援功效。
在微生物组对干扰的潜在反应范围内，有几个关键时刻可以通过救援支持微生物组的恢复力（图 1，蓝色星星表示潜在的干预机会）。具体而言，人口统计和适应性救援可用于促进结构弹性（单一状态“工程”弹性），功能和进化救援可用于促进功能冗余。根据生态学文献，如果发生在系统超过临界阈值之前，则可以采取干预措施来防止状态转变（即社区结构和功能的根本变化，主要营养和能量来源的转变明显），超过该临界阈值生态强迫将不可避免地导致政权更迭34 ,35、36、37。_ _ _ _ 如果在临界阈值之前成功进行救援干预，恢复轨迹可以朝着结构弹性或功能冗余方向发展。有了足够的系统动力学知识，可以在政权转变后通过激进干预（生态恢复力）拯救微生物组，这可能是一种将生态系统恢复与微生物组拯救相结合的干预措施。人类肠道微生物组的粪便移植是给定制度转变的典型微生物组干预措施（值得注意的少数）[38]。
虽然作为生态装配过程的结果，微生物组的恢复力可以在没有干预的情况下“自然地”进行30 , 39 , 40（通常是在相对较小的扰动之后），我们的愿望是了解这些确定性机制，并利用它们通过救援实现弹性的最大有效性和效率。作为救援干预措施，几种一般策略可能是有利的。这些一般策略中的每一个都需要进行调整和测试，以丰富提供因干扰而丧失功能的种群。作为一种策略，可以使用非生物活性添加剂来指导拯救，这些添加剂可以丰富特定的微生物组成员或功能。这种策略可能在含有益生元的人类肠道生态系统中得到了最好的证明，益生元通常是人类无法消化的食物，可以丰富细菌发酵罐以支持肠道健康[41]. 在农业中，“益生元”可能包括丰富社区成员以改善土壤的植物或废物产品，例如生物炭、处理过的废水等[42]。作为另一种拯救策略，休眠储库的重新激活可以通过环境或分子信号进行指导，例如，游离氨基酸可以重新激活形成内生孢子的芽孢杆菌属谱系，而复苏促进因子可以重新激活形成外孢子的放线菌谱系43、44。此外，微生物可以作为生物接种剂直接补充到系统中，例如在小麦中发现的植物生长促进细菌菌株[45]或考虑与本地丛枝菌根真菌一起用于植物群落恢复[46]。然而，生物接种方法经常受到添加微生物缺乏持久性或活化的挑战[47]。此外，更复杂的拯救策略可能包括压制竞争者或丰富合作者（参见，例如参考文献[48]中的生物相互作用部分），改造植物宿主以改善微生物群的招募49、50 ，或恢复环境以支持选择的条件对于所需的微生物种群（例如[51]）。
在考虑如何指导救援时，重要的是要考虑微生物组救援是否恢复到干扰前的状态与预期的功能结果一致。请注意，微生物组的干扰前功能状态可能不一定是“自然的”（例如，没有人为影响的遗留）或实现所需微生物功能的最佳状态。
控制微生物活化是一个未被充分探索的救援目标
休眠是一种可逆的低代谢活动状态，被多种微生物谱系用作不利条件下的对冲策略[55]。此外，休眠状态是环境中微生物种群的标准状态，据报道土壤中 >80% 的细胞和 >55% 的类群在任何时候都处于休眠状态[55]。微生物休眠的动力学包括失活（也称为进入休眠）和再激活（也称为复苏）过程（图 4）[56]. 失活和重新激活都可以是随机的或确定性的。在确定性动力学的情况下，环境或生物信号可能会提示活动转换的开始。还有侦察细胞的情况，其中一个细胞随机重新激活后，微生物介导的信号会在有利的环境中重新激活休眠的亲属[57]。
图 4。微生物休眠转变可以是随机的（蓝色箭头）或确定性的（黑色箭头）。对于失活和再激活，微生物可以(a)响应环境变化（橙色闪电符号）或(b)随机改变为其他活动状态。对于重新激活，还有可能从侦察细胞接收线索（c，由三角形表示的线索），其中休眠池的一些成员随机重新激活（c-1），但如果找到有利的环境，会产生释放的重新激活亲属细胞(c-2)和启动集体重新激活(c-3) 的信号. 重新激活的确定性线索可能是管理微生物组恢复力救援的目标；灭活的确定性线索也可能在干扰期间促进种群持久性。然而，对于大多数环境微生物类群，休眠策略及其驱动因素是未知的或未被充分理解。
尽管考虑微生物组激活动力学的研究仍然很少，但报告活动的研究已经观察到环境变化期间和之后的再激活和失活信号55 , 56 , 57 , 58 , 59，这表明激活中的响应开关可能很常见。此外，有大量关于土壤“启动”的文献表明，一些微生物组成员更容易对资源输入作出反应，这归因于它们初始活动状态的差异以及它们的资源偏好（例如58 , 59 , 60 , 61 , 62 ,63 .) 我们的土壤变暖实验表明，仅重新激活就对微生物组恢复力贡献了 18% [64]。在这项研究中，激活的分类群与变暖前的活跃分类群不同，表明存在功能冗余的可能性。
重新激活作为一种人口或功能拯救机制具有潜在优势。它可以利用现有的当地微生物组多样性，而无需引入非本地种群，从而针对可能适应恢复环境的当地休眠种群（如果是这样，在干扰之前）。虽然所需微生物群落的长期存在可能是生物接种的挑战（例如[47]), 重新激活的细胞可能会在局部环境中持续存在，因为它们提供了在干扰中幸存下来的休眠表型。提示响应动力学提供明显的基于环境或信号的干预来控制激活。最后，由于微生物组内的遗留相互作用，重新激活的种群可能更有可能适应恢复的生物环境。出于这些原因，加强研究工作以将重新激活理解为支持弹性轨迹的定向救援机制至关重要。
结论
微生物组研究正处于加速微生物组恢复力的基础生态知识的关键时刻，这将指导为面临气候变化的生态系统和宿主开发支持微生物组的解决方案。最重要的是，捕获干扰的高质量和广泛的微生物组时间序列是必需的。为了进行比较和得出一般性，需要来自社区和生态系统的代表性时间序列，这些社区和生态系统的复杂性从实验室中的受控中型生态系统到最高多样性的野外生态系统。在分析这些时间序列时，需要使用可跨系统和研究进行转移和比较的指标来衡量和量化阻力和弹性，并且需要采用和调整动态系统的定量建模，包括贝叶斯方法，以便在随着时间的推移观察到新数据点时调整先验。对于时间序列，评估活跃的分类群并确定活动状态在干扰期间和之后如何转换也很重要。几种技术提供了一系列精确度来确定活性微生物群（例如生物正交非规范氨基酸靶向细胞分选和测序（BONCAT-FAC）[65]，定量稳定同位素探测66、67和 16S rRNA：DNA 比率[60] ），但仅基于 DNA 的微生物组测序是有限的，特别是对于含有许多非活性细胞和分类群的环境群落，例如土壤。
我们对环境微生物休眠策略的生物学和生态学的理解存在很大差距。在一个生态系统中，其休眠池的组成和结构是什么，与活跃池相比如何？休眠池如何随时间和空间变化？休眠池中细胞的寿命和活力分布如何？对于一个群体，他们重新激活的时间有多大变化？它们是否有在活动和非活动之间切换的信号，它们是什么？对于大多数环境微生物类群，这些基本问题尚未得到解答。
此外，我们需要提高对生态进化动力学在微生物组干扰反应中的作用的理解，特别是要更好地解释细菌多样化（通过质粒、噬菌体和转化）对恢复力和不同类型微生物的不同贡献。气候干扰。这些知识将增强对弹性进化机制及其救援效用的洞察力。
最后，确定哪些微生物组功能和成员对恢复力有用是至关重要的，包括哪些对未来气候预测至关重要或支持的功能。微生物生物多样性的一些损失是不可避免的，但许多种群不活跃或提供冗余功能。当微生物组分析的样本被适当地收集和储存时，来自长期生态研究或长期气候实验地点的丰富数据（例如68 , 69) 可以深入了解哪些微生物类群可能在不同的气候情景下生存或繁衍。继续将逐渐变化的条件（例如升高的平均温度和大气中的二氧化碳）的见解与极端脉冲干扰（例如热浪、干旱）的情景结合起来，以提供对最持久的微生物种群的“最坏情况”评估和他们的职能。总之，这些方向将补充对微生物组恢复力和救援工作的理解，以保留或恢复面临气候变化的植物和土壤的关键微生物组功能。
本文刊登于ScienceDirect，《Microbiome rescue: directing resilience of environmental microbial communities》，由生活100编译。
