Take home message

(1) 目标：理解物种的快速进化是否会改变优先效应的强度或方向，从而影响群落的演替轨迹。

（2）研究对象：番茄植物 + 早期定殖细菌 Pantoea dispersa。处理组：改变 P. dispersa 与竞争物种的接种顺序：先引入 P. dispersa（作为居民物种）。同时引入 竞争者。后引入 P. dispersa（作为入侵物种）。P. dispersa 快速进化：在实验时间尺度内发生遗传适应性变化。进化方向：不是提高在原有生态位中的效率（如传统理论预期），而是扩展了生态位（例如侵入植物组织内部）。

Within-host adaptation alters priority effects within the tomato phyllosphere microbiome 宿主内的适应改变了番茄叶际微生物群的优先效应

摘要

（1）To predict the composition and function of ecological communities over time, it is essential to understand how in situ evolution alters priority effects between resident and invading species. 为了预测生态群落随时间的组成和功能，有必要了解原位进化如何改变定居物种和入侵物种之间的优先效应。 

（2）Phyllosphere microbial communities are a useful model system to explore priority effects because the system is clearly spatially delineated and can be manipulated experimentally 叶圈微生物群落是研究优先效应的一个有用的模型系统，因为该系统在空间上被清晰地描述，并且可以通过实验来操作 .

（3）We conducted an experimental evolution study with tomato plants and the early-colonizing bacterium species Pantoea dispersa, exploring priority effects when P. dispersa was introduced before, simultaneously with or after competitor species. 我们对番茄植物和早期定居的细菌物种Pantoea dispersa进行了实验性进化研究，探索了当P. dispersa在竞争物种之前、同时或之后引入时的优先效应。  

（4）P. dispersa rapidly evolved to invade a new niche within the plant tissue and altered its ecological interactions with other members of the plant microbiome and its effect on the host. P. dispersa分散体迅速进化，侵入植物组织内的新生态位，改变其与植物微生物群其他成员的生态相互作用及其对宿主的影响。

（5） Prevailing models have assumed that adaptation primarily improves the efficiency of resident species within their existing niches, yet in our study system, the resident species expanded its niche instead. This finding suggests potential limitations to the application of existing ecological theory to microbial communities. 流行的模型假设适应主要是在现存的生态位内提高留居物种的效率，然而在我们的研究系统中，留居物种反而扩大了它的生态位。这一发现表明了现有生态学理论应用于微生物群落的潜在局限性。

（6）结果

（7）Priority effects shape microbial colonization outcomes in the tomato phyllosphere 优先效应决定了番茄叶际微生物的定殖结果

实验进化阶段（子图a）：让细菌在植物上反复传代，使其进化。优先效应测试阶段（子图b，并用子图c/d展示结果）：测试进化后的细菌在与竞争者不同接种顺序下的表现。a. 实验进化流程示意图。目的：培育出进化后的 P. dispersa 种群，将 祖先型 P. dispersa 菌株接种到番茄幼苗上（通过浸染法）。培养 1周，让细菌在植物叶际（表面）定殖和生长。收获植物，从植物表面分离出细菌。用这些分离出的细菌作为 下一代的接种物，重复步骤1-3。关键点：这个过程重复了多代（文中虽未提具体代数，但此类研究通常进行数十至数百代），使得 P. dispersa 在番茄宿主的选择压力下发生了 适应性进化。最终得到 6个独立的进化系。b. 接种顺序实验设计示意图，比较 进化型 与 祖先型 P. dispersa 在“优先效应”中的表现。居民菌：第一个接种的菌株（可以是 P. dispersa 或竞争者）。入侵菌：72小时后接种的第二个菌株。处理组：实验测试了两种情景：P. dispersa 作为居民，竞争者作为入侵者（测试 P. dispersa 的 抗入侵能力）。竞争者作为居民，P. dispersa 作为入侵者（测试 P. dispersa 的 入侵能力）。检测：第二个菌株接种72小时后，收获植物，用选择性培养基分别计数两种细菌的数量，以量化其成功程度。c. 结果：进化型 P. dispersa 的抗入侵能力更强，所示情景：P. dispersa（居民） vs. P. protegens（入侵者）。关键发现：当 进化型 P. dispersa 先定殖（居民）时，后续入侵的 P. protegens 种群数量 显著低于 当祖先型 P. dispersa 是居民时的情况。解读：经过在番茄上的进化，P. dispersa 变得更善于 排挤 特定的后来竞争者（P. protegens），即其 优先效应增强。这支持了“原位进化改变种间相互作用”的论点。d. 结果：进化型 P. dispersa 的入侵能力更弱。所示情景：P. syringae（居民） vs. P. dispersa（入侵者）。关键发现：当 进化型 P. dispersa 作为后来者（入侵者）时，其成功定殖的数量 显著低于 祖先型 P. dispersa 作为入侵者时。解读：进化产生了一个 权衡。P. dispersa 变得善于做居民（抗入侵），但代价是作为入侵者时，对抗某些已建立的居民（如 P. syringae）的能力 下降。这表明进化可能使其更加 特化 于某种生态角色（占据者），而非通用型竞争者。

（8）Experimental evolution alters the direction and magnitude of priority effects 实验进化改变了优先效应的方向和大小

展示了 Pantoea dispersa 在实验进化过程中发生的关键性状改变，即从叶表定殖者转变为能够侵入植物组织的内生化殖者。进化后的 P. dispersa 种群改变了其定殖策略和与宿主的相互作用：它们在植物内部的组织中繁殖得更好，并引起了更严重的植物症状，但在外部叶表的种群数量没有显著变化。

a. 无竞争条件下的生活史，图表：折线图，显示接种后不同时间点，进化型（Evolved） 与 祖先型（Ancestral） P. dispersa 在番茄幼苗上的总种群数量（包括叶表和内部）。关键发现：两条曲线有显著交互作用（P=0.0024）。进化型种群在早期（约第2-4天）生长更快，达到了更高的峰值。这表明进化提高了其定殖效率。解读：在无竞争情况下，进化型已展现出生长优势，为其在竞争中占据先机奠定了基础。b. 幼苗症状照片（示例）展示了接种进化型 P. dispersa 后番茄幼苗出现的可见症状（如黄化、萎蔫、坏死等）。为子图c的定量症状提供直观证据，表明进化改变了细菌与宿主的互作关系，从相对温和变得更具致病性。c. 症状严重程度定量分析，比较了无菌缓冲液对照、祖先型和进化型 P. dispersa 处理组在接种后5天内的累计病害严重程度（AUDPC）。进化型引起的症状显著重于祖先型和对照（* 和 ***）。进化使 P. dispersa 对宿主植物的负面影响增强。这支持了其可能已侵入敏感组织（而非仅停留在表面）的推论。d:叶表细菌种群数量,比较了通过超声清洗从叶表洗脱下来的细菌数量（c.f.u.）。进化型与祖先型在叶表种群数量上无显著差异（NS）。进化没有提高细菌在叶表生态位的适应度。其增长优势（见于子图a）不是通过更好地占据表面实现的。e. 叶内细菌种群数量,比较了在清洗叶表后，通过匀浆从植物内部组织中分离出的细菌数量。进化型在植物内部组织中的种群数量显著高于祖先型（**）。进化使 P. dispersa 获得了侵入并定殖于植物内部组织的能力（生态位扩张）。

（9）Phenotypic and genetic parallelism underlie adaptation to the phyllosphere 表型和遗传的平行性是适应叶圈的基础

遗传学角度揭示了驱动 P. dispersa 表型进化（即侵入植物组织）的分子机制，并展示了实验进化中一个关键现象——平行进化。在番茄宿主上独立进化的6个 P. dispersa 种群，其基因组发生了高度平行的突变。这些突变集中在与宿主侵染、环境感应和细胞间相互作用相关的功能基因上，共同促成了其“由表及里”的生态位扩张策略。a. 发生固定突变基因的功能注释，展示了在至少一个进化种群中达到“固定”（即频率为100%）的突变基因及其功能注释。突变基因并非随机分布，而是高度集中在几类特定功能上：表面附着与侵染：Ig-like domain-containing protein：这类蛋白通常介导细菌与宿主表面的粘附，是成功定殖和可能入侵的第一步。Type VI secretion system：这是一种“分子注射器”，可用于攻击真核宿主细胞（促进入侵）或对抗其他细菌（在竞争中占优）。TssI/VgrG 是它的尖端蛋白，Hcp 是它的管道蛋白。Flagellar protein：鞭毛相关蛋白，与运动性和趋化性有关，帮助细菌寻找并到达有利位点。营养获取与代谢适应：PTS fructose transporter：磷酸转移酶系统果糖转运蛋白，用于高效摄取碳源（植物渗出物中的糖分）。NADP-dependent phosphogluconate dehydrogenase：参与戊糖磷酸途径，与能量代谢和抗氧化压力有关。Amino acid racemase：氨基酸消旋酶，可能帮助细菌利用不同构型的氨基酸，适应内部组织营养环境。环境感应与信号转导：Serine/threonine-protein kinase：真核样激酶，常在细菌中参与感应环境信号并调控致病性。Sugar-binding transcriptional regulator：糖结合转录调控因子，根据营养状况调控基因表达。Mechanosensitive ion channel：机械敏感离子通道，可感应渗透压变化（如从干燥的叶表进入湿润的植物内部）。外膜与应激：Porin OmpC：外膜孔蛋白，控制物质进出，其变化可能改变抗生素抗性或营养摄取。Beta-barrel domain-containing protein：可能也是外膜蛋白。解读：这些突变共同指向一个协调的适应性改变：增强对植物表面的附着、感知宿主信号、获取内部营养，并利用分泌系统侵入或竞争。这从分子机制上解释了图2所示的表型。b. 不同分类水平上的进化平行性，三个并排的条形图，展示了从“精确突变位点”到“基因”再到“基因功能”三个不同层次上，突变在6个独立进化种群中共享的程度。左图（相同突变）：共享完全相同的DNA位点突变的种群比例很低。这说明进化路径在最精细的分子水平上并不完全重复。中图（相同基因）：在同一基因（但可能是不同位点）发生突变的种群比例显著增高。右图（相同功能）：在具有相同功能注释的基因上发生突变的种群比例最高。解读：这体现了高度功能性的平行进化。虽然各个种群找到的具体“解决方案”（突变位点）不尽相同，但它们都“不约而同”地改造了同一组功能相关的基因，以实现对番茄宿主的更好适应。这强烈表明存在明确的选择压力（即生活在番茄上），驱使细菌向特定的适应性方向进化。c. 种群内与种群间突变频率的关系，显示了突变在种群内的平均等位基因频率与其在种群间共享程度（多少个种群拥有该突变）的关系。在多个种群中平行出现的突变，在各自种群内达到的平均频率也显著更高（P值极小）。正选择信号：平行且高频的突变是强正选择的黄金标准证据。这意味着这些突变带来了巨大的适应性优势，因此在每个种群中都被快速筛选并固定下来。关键性状的遗传基础：这些被平行选择、且频率高的突变，极有可能就是驱动核心表型进化（如组织侵入）的关键遗传变异。

To predict the composition and function of ecological communities over time, it is essential to understand how in situ evolution alters priority effects between resident and invading species.