Nature Microbiology:代谢交换在自然微生物群落中无处不在

文摘   2024-09-19 09:01   瑞士  

原文献信息:Kost C, Patil KR, Friedman J, Garcia SL, and Ralser M. Metabolic exchanges are ubiquitous in natural microbial communities. Nat. Microbiol. 2023; 8, 2244-2252.

摘要:

代谢交换在自然微生物群落中无处不在。微生物群落推动全球生物地球化学循环,并影响植物和动物(包括人类)的健康。它们的结构和功能由生态和环境互动决定,这些互动支配了微生物群落的组装、稳定性和进化。广泛的观点认为,竞争等对抗性互动在微生物群落中占主导地位,并且比协同互动(例如,互惠共生或附着共生)更具生态重要性。然而,在过去十年里,一个更加细致的画面逐渐浮现,其中细菌、古菌和真菌存在于一个交互网络中,相互交换必需和非必需的代谢物。这些代谢互动深刻影响了相关菌株的生理、生态和进化,并且对许多(如果不是所有的话)微生物组的功能至关重要。因此,我们主张对微生物组生态学持平衡的观点,涵盖协同和对抗互动作为驱动微生物群落结构和动态的关键力量。


生态互动通常基于互动对参与者的适应性后果来分类。任何给定的互动可以对两个个体产生正面(+)或负面()影响,或没有影响(0;即中性互动)。这种分类方案产生了几种不同类型的生态互动,在这里将其广泛地分为对抗性和协同性互动。
对抗性互动是指一个或两个互动伙伴在互动中遭受负面适应性后果。这可能是由于资源竞争(−/−)或抑制作用(0/−),例如,一种细胞释放抑制另一种物种生长的物质(如代谢废物)。或者,互动细胞也可能通过释放有毒物质或接触依赖的杀伤机制来获益(即掠夺/捕食(+/−))。

研究微生物群落如何在环境代谢复杂性增加的情况下表现出组成上的收敛或分化现象,有助于理解环境如何影响微生物群落的组装,并为微生物组工程应用提供理论基础。

代谢复杂性驱动微生物群落的分化

许多自然微生物群落中的微生物无法独立生产所需代谢物,这导致了强制代谢互馈现象。
微生物通过相互交换代谢物来维持生长,单靠代谢物回收难以长期支持微生物的增长。
代谢依赖型微生物广泛存在于各种环境中,表明群落成员间的代谢物交换对于维持这些微生物至关重要。

在发酵食品中,强制代谢互馈使不同物种能够长期共存,而生物地球化学循环也依赖于这种代谢互馈网络。

检测协同代谢相互作用的困难

尽管许多研究发现代谢互惠在微生物群落中普遍存在,但实际检测这些相互作用却极具挑战。这主要是由于以下几个原因:

培养偏差:实验室中常用的培养方法倾向于选择快速生长的菌株,忽视了那些依赖代谢物交换的菌株。这导致了对自然界中微生物相互作用的偏颇理解。

培养条件:微生物代谢物的交换依赖于细胞的物理接近。如果培养条件未能模拟自然环境(如缺氧环境),可能会影响实验结果的准确性。

实验设计:在复杂的实验中同时混合多种菌株可能会导致相互作用的消失或变化。分步混合实验更能揭示真实的互惠关系。

环境影响:互惠关系通常对环境条件敏感,因此实验条件的微小变化可能会显著影响结果。

动态变化:微生物之间的相互作用是动态的,可能会随着资源的变化从竞争转变为互惠。

为了解决这些问题,建议采用优化的培养方法,尽可能模拟自然环境条件,并利用现代技术(如13C标记的蛋白质组学)来准确检测和量化微生物之间的代谢互动。这些方法将有助于更真实地了解微生物群落中的互惠相互作用。

文中图表:

微生物生态 iMcro
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