mSystems：微生物多样性在合成群落中的维持

文摘 2024-12-23 08:16 瑞士

微生物群落展现了惊人的多样性，其生态和进化机制对于多样性的形成和维持至关重要。然而，这些机制在实验中的研究仍不充分。本研究通过模拟由Pseudomonas putida 和Acinetobacter johnsonii 构成的合成微生物群落，探讨了物种间相互作用（如营养交互作用）如何影响微生物多样性形成及其进化过程。A. johnsonii 通过向外部环境泄漏代谢副产物为 P. putida 提供营养，从而构建了一个互利共生的生态系统，为研究营养交互作用对多样性形成的影响提供了理想模型。

这篇文章的主要结果揭示了微生物多样性在单一培养和共培养条件下的形成与维持机制，以及物种间相互作用的关键作用。研究表明，Pseudomonas putida在单一培养和与Acinetobacter johnsonii共培养条件下经历了显著的表型和基因多样化过程。在单一培养中，P. putida 的种群迅速分化为一种新表型，但这一表型最终通过适应性选择占据了主导地位，导致种群多样性丧失。而在与 A. johnsonii 共培养的条件下，P. putida 的两种亚种群表型能够长期共存，形成稳定的多样性。

表型分析显示，在共培养条件下，P. putida 形成了大菌落和小菌落两种显著不同的表型。大菌落表型的细胞产量显著高于小菌落表型和祖先菌株，而小菌落表型的特性更接近于祖先。这种表型分化在遗传水平上与关键基因的突变密切相关，特别是与调节鞭毛和生物膜形成的 fleQ 基因的非同义突变有关。基因组分析进一步揭示，在单一培养中，这些基因突变通常通过“硬清扫”（hard sweeps）固定于种群中，而在共培养中，这些突变的频率保持在较低水平，表明共培养环境中种群遗传多样性受到有效维持。

研究还发现，A. johnsonii 对 P. putida 的多样性维持起到了重要作用。A. johnsonii 的代谢副产物（例如苯甲酸）泄漏为 P. putida 提供了额外的营养资源，并可能通过创建异质的微生态位促进了多种表型的长期共存。然而，通过侵入实验，研究未能证明频率依赖选择是多样性维持的主要机制，这表明 A. johnsonii 的作用可能通过更复杂的生态交互过程实现，例如稳定资源供应或调节群落动态。

为了进一步验证 A. johnsonii 对多样性维持的作用，研究进行了进化“重播”实验。在去除 A. johnsonii 的条件下，P. putida 的多样性显著减少，一种表型迅速占据主导地位。这一结果表明，A. johnsonii 的存在对于多样性维持至关重要，其机制可能涉及其提供的营养资源以及由此产生的生态反馈。

综上，本文的主要结果强调了物种间正向交互在微生物多样性形成与维持中的关键作用，揭示了微生物群落进化过程中营养交互和生态位动态的重要性。这些发现为进一步探索微生物生态系统的稳定性和多样性提供了重要线索。

微生物生态 iMcro

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