Science：代谢交互模型再现了叶片微生物群落生态

文摘 2024-09-23 09:02 瑞士

原文献信息：Schäfer M, Pacheco AR, Künzler R, Bortfeld-Miller M, Field CM, Vayena E, et al. Metabolic interaction models recapitulate leaf microbiota ecology. Science. 2023; 381, eadf5121.

摘要：

资源分配影响了微生物群落的结构，包括那些与活体宿主相关的微生物群。了解这种依赖性在多大程度上决定了种间相互作用，可能有助于推进对宿主-微生物群关系的控制。我们结合了合成群落实验和计算模型，预测了植物相关细菌之间的相互作用结果。通过体外评估每株菌株在45种环境相关碳源上的生长情况，我们绘制了来自拟南芥（Arabidopsis thaliana）的224株叶片分离菌的代谢能力图。我们使用这些数据为所有菌株构建了精心策划的基因组规模代谢模型，并结合这些模型模拟了超过17,500种相互作用。模型再现了植物体内观察到的相互作用结果，准确率超过89%，突出了碳利用的作用以及生态位分区和交叉供养在叶片微生物群组装中的贡献。

主要内容：

微生物群落的组成与宿主健康和生态系统功能密切相关。然而，决定物种丰度的环境过程仍然了解甚少。鉴于微生物群依赖于资源的可获得性，深入了解其组成生物的代谢能力是预测种间相互作用和更广泛的微生物群组装规则的关键途径。植物构成了地球上最大的生物量，并被各种微生物定殖，这些微生物影响植物的健康和生长。研究发现，植物微生物群的组成在很大程度上是确定性的，表明存在定义群落组装的驱动因素。然而，支撑这些模式的代谢机制仍不清楚。

为了评估资源分配模式在微生物相互作用中的作用，我们首先分析了224株从野生拟南芥（Arabidopsis thaliana）叶片中分离出来的代表性细菌菌株的碳源利用能力。我们将每个菌株分别培养在45种不同的碳源上，并开发了一种计算工具，以自动化的方式对每个菌株的生长进行评分。这一筛选让我们计算出菌株之间的代谢生态位重叠程度，从而预测植物宿主上资源竞争的情况。我们进一步利用这一实验数据生成了224个基因组规模的代谢模型，涵盖了每个生物体的代谢网络。我们使用这些模型来预测植物宿主上种间相互作用的结果，并深入了解这些细菌在资源利用和交换上的具体模式。

我们发现菌株的碳源利用特征表现出强烈的系统发育特征，这一结果基于实验筛选和基因组规模模型中的通路分析。我们通过在拟南芥宿主上对两组菌株进行竞争实验，验证了模型的表现和基于生态位重叠的预测。实验显示负面相互作用结果占主导地位（即共同定殖时菌株的总体种群水平低于单独定殖），这与预测的高菌株间生态位重叠一致。基因组规模模型提供了这些相互作用的进一步见解，正确预测了植物中观察到的正向结果，并进一步强调了碳代谢在群落组装中的重要性。在这一实验验证之后，我们模拟了超过17,500对菌株的相互作用结果。我们预测在94%的菌株配对中，至少有一个菌株的丰度会低于单独定殖时的丰度。我们进一步分析了这些预测结果背后的代谢通量，发现糖类竞争非常普遍。这种竞争在我们的模拟中可以通过增加氨基酸和有机酸的摄取来抵消，揭示了我们在植物中观察到的正向相互作用结果的代谢机制。

我们的研究表明，碳源的可获得性和代谢相互作用在植物宿主上的群落组装中起着重要作用，这与我们观察到的特征保守性一起，可能共同促成了植物微生物群组装的确定性结果。除了再现种间相互作用外，我们的建模框架还提供了一种强大的工具，用于确定导致特定生态模式出现的代谢机制。这些知识最终将有助于靶向设计微生物群，这对于微生物群在健康、农业和环境中的应用至关重要。

文中图表：

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