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Overcoming toxicity: How nonantagonistic microbes manage to thrive in boom-and-bust environments

生物 打破 繁荣 人口 群体感应 生态学 遗传学 工程类 毒力 基因 环境卫生 医学 环境工程
作者
MingYi Wang,Alexander Vladimirsky,Andrea Giometto
出处
期刊:Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America [National Academy of Sciences]
卷期号:122 (26)
标识
DOI:10.1073/pnas.2424372122
摘要

Antagonistic interactions are critical determinants of microbial community stability and composition, offering host benefits such as pathogen protection and providing avenues for antimicrobial control. While the ability to eliminate competitors confers an advantage to antagonistic microbes, it often incurs a fitness cost. Consequently, many microbes only produce toxins or engage in antagonistic behavior in response to specific cues like quorum sensing molecules or environmental stress. In laboratory settings, antagonistic microbes typically dominate over sensitive ones, raising the question of why both antagonistic and nonantagonistic microbes are found in natural environments and host microbiomes. Here, using both theoretical models and experiments with killer strains of Saccharomyces cerevisiae , we show that “boom-and-bust” dynamics—periods of rapid growth punctuated by episodic mortality events—caused by temporal environmental fluctuations can favor nonantagonistic microbes that do not incur the growth rate cost of toxin production. Additionally, using control theory, we derive bounds on the competitive performance and identify optimal regulatory toxin-production strategies in various boom-and-bust environments where population dilutions occur either deterministically or stochastically over time. Our mathematical investigation reveals that optimal toxin regulation is much more beneficial to killers in stochastic, rather than deterministic, boom-and-bust environments. Overall, our findings show how both antagonistic and nonantagonistic microbes can thrive under varying environmental conditions.
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