近期，土地科学与技术学院王钢教授的土壤与水生态系统生物物理研究组（Soil and Water Ecosystems Biophysics，简称SWEB）与瑞士联邦水科学与技术研究所（EAWAG）的David R. Johnson研究员课题组通过多年联合研究，噬菌体-细菌互作机制及功能群落演化研究领域取得重要进展；研究成果以“Phage predation accelerates the spread of plasmid-encoded antibiotic resistance”为题发表于自然（Nature）子刊自然通讯（Nature Communications）。

噬菌体作为微生物生态系统不可或缺的基石，深刻地影响着人类健康、地球元素循环以及生态系统演化与功能。其巨大的影响力植根于它们作为地球上最为庞大的生物群体之一，以及作为自然界中高效的捕食者角色。噬菌体通过其独特的生命周期，能够精确调控微生物的丰度、多样性和相互间的复杂关系，进而塑造稳定的生态系统群落结构与功能。在微生物群落密集生长的表面环境中，噬菌体的活动受到了群落致密结构的挑战，这限制了它们全面清除宿主细胞的能力。因此，噬菌体往往与宿主群落形成一种微妙的共存状态，共同编织着生态系统的复杂网络。长久以来，人们普遍认为噬菌体的捕食行为主要导致微生物数量的减少，而对于噬菌体如何参与调控微生物群落结构、进而调节抗生素抗性传播的直接作用知之甚少。这一传统观念忽视了噬菌体捕食行为对微生物种群空间布局和动态变化的深远影响。事实上，噬菌体不仅通过裂解宿主细胞直接影响微生物的数量，更可能通过重塑微生物群落的空间结构，间接促进或抑制抗生素抗性基因的扩散。

深入探究噬菌体在微生物生态系统中的多重角色，特别是它们如何微妙地影响微生物的空间分布格局与抗生素抗性基因的扩散，对于加深我们对生态系统动态平衡的理解、优化感染性疾病的防控策略以及推动生物技术的创新发展具有不可估量的价值。近期，这一领域的研究取得了突破性进展。2024年6月，中国农业大学王钢教授研究团队与瑞士联邦水科学与技术研究所David R. Johnson博士的课题组携手在顶尖科学期刊《Nature Communications》上发表了题为“Phage predation accelerates the spread of plasmid-encoded antibiotic resistance”的重要研究论文。该研究颠覆了传统认知，揭示了噬菌体捕食活动能够通过重塑微生物群落的空间组织，显著加速表面微生物群落中质粒编码的抗生素抗性基因的传播。

研究团队巧妙地采用了两种大肠杆菌菌株作为模型系统，通过精心设计的实验，证明了噬菌体捕食在微生物生长过程中不仅未减少微生物数量，反而通过减缓菌株间的空间分离，促进了细胞间的紧密接触。这种接触频率的增加，直接提升了接合作用介导的质粒转移效率，使得抗生素抗性基因得以在微生物群落中更广泛地传播。

该研究的核心机制在于，噬菌体的捕食行为改变了微生物群落的空间分布（图1），将原本位于群落边缘、生长最为迅速的位置转移至相对较内的区域，形成了细胞密集且排列更为平行的空间结构。这种变化不仅减缓了不同菌株在空间上的分离速度，还在菌株间创造了更多直接接触的界面（图2）。这些界面在生长过程中减少了脱混现象，维持了种群间更高水平的空间混合度，从而为质粒的频繁转移提供了理想的环境。

这一发现不仅为噬菌体疗法的设计与应用风险提供理论参考，也为理解抗生素抗性基因在自然环境中的传播机制提供了重要的理论支撑。

图1 噬菌体对表面微生物群落空间结构的重塑

图2 局部噬菌体侵染对表面微生物空间结构的影响

中国农业大学与瑞士联邦水科学与技术研究所联合培养博士后阮楚晋博士为论文第一作者，王钢教授和瑞士联邦水科学与技术研究所David R. Johnson教授为论文共同通讯作者，中国农业大学为论文第一单位。

以上研究得到了中国农业大学2115人才培育发展支持计划、国家重点研发专项、国家自然科学基金等科研项目的支持。

全文参见：https://doi.org/10.1038/s41467-024-49840-7