微生物模型群落揭示广泛存在的代谢互依赖性

《Communications Biology》：Microbial model communities exhibit widespread metabolic interdependencies

　　本研究针对自然微生物群落中代谢互依赖性的生态意义尚不明确的问题，通过稀释培养技术从波罗的海构建了204个微生物模型群落，结合宏基因组学分析发现：多物种共存（>3种）的群落更易获得基因组精简、氨基酸和B族维生素合成能力较低但环境丰度更高的类群；这些类群通过代谢互补形成互依赖网络。该研究为理解微生物群落组装和稳定性提供了新视角，表明基于群落的培养策略是揭示环境微生物生态策略的有效途径。

　　

在浩瀚的海洋中，微生物如同看不见的引擎驱动着地球的生物地球化学循环。然而，这些微生物并非孤立存在，而是形成复杂的群落，其中存在着千丝万缕的相互作用。传统的微生物学研究严重依赖于纯培养技术，但这种方法存在明显的局限性——它更倾向于捕获那些基因组较大、代谢能力更强、能够独立生长的微生物。这使得自然界中大多数丰富且重要的微生物仍然难以在实验室中培养，我们对其生态策略和相互依赖关系的理解因此存在巨大空白。

微生物如何在复杂群落中通过代谢互补来维持生存？这种互依赖性在自然环境中究竟有多普遍？为了回答这些根本性问题，来自斯德哥尔摩大学等机构的研究团队在《Communications Biology》上发表了一项开创性研究。他们采用了一种创新的“稀释至灭绝”培养策略，从波罗的海水体样本中成功建立了204个微生物模型群落，并结合宏基因组学分析，揭示了微生物世界中广泛存在的代谢互依赖性。

本研究主要采用了以下几项关键技术：通过流式细胞术精确计数波罗海水样中的微生物细胞，采用稀释至灭绝培养技术建立不同接种量的微生物模型群落，利用多重置换扩增(MDA)增加培养物DNA浓度，通过Illumina平台进行宏基因组测序，运用MetaWRAP流程进行基因组组装和分箱，基于KEGG数据库自定义氨基酸和维生素合成模块进行功能注释，并利用统计学方法分析基因组特征与生态参数之间的关联。

RESULTS

波罗海MAG目录的构建

研究人员通过两种稀释培养方式（低接种量：2-100细胞/孔；高接种量：200-10^6细胞/瓶）从波罗海水样中建立了801个培养物，经过4周孵育和MDA扩增后，对204个成功培养的群落进行了宏基因组测序。结合110个公开的波罗海宏基因组数据集，研究团队构建了一个包含701个物种簇（>95%平均核苷酸一致性）的波罗海基因组目录(BalticMAG)。这些物种簇中，39个（占培养物种的54%）同时存在于培养物和环境中，且这些“双来源”物种在环境中的相对丰度显著更高，表明该培养方法能够捕获环境中最丰富的类群。

高接种量增加群落丰富度并揭示基因组大小平台

研究发现，随着接种量的增加，获得宏基因组组装基因组(MAG)的培养物数量也随之增加。在高接种量（5000细胞）的培养物中观察到了最多13个共存物种。更重要的是，随着每个培养物中物种数量的增加，微生物的估计基因组大小逐渐减小。在含有超过3个物种的培养物中，平均基因组大小稳定在约3 Mbp左右，表明更复杂的群落倾向于包含基因组更精简的微生物。

超过三个物种的模型群落揭示独特的微生物多样性

从模型群落中回收的72个物种涵盖了波罗海中最丰富的五个门类。其中70%缺乏物种水平的分类学归属，代表了过去未培养的谱系。特别值得注意的是，31个物种专门从含有超过3个物种的复杂群落中回收。稀疏曲线分析显示，与单一物种培养相比，群体培养（尤其是超过3个物种的培养）能够以更高的效率回收微生物多样性。

严格群体生长的物种丰度更高、普遍性更强且合成能力更低

研究发现，那些只能在群体中生长的物种（相对于能够单独生长的物种）在环境中的相对丰度和普遍性（在不同样本中出现的频率）显著更高。虽然这两类物种的估计基因组大小没有显著差异，但群体专性生长物种的氨基酸和B族维生素合成途径的平均完整性显著更低，表明它们更依赖于群落其他成员提供这些必需代谢物。

群体生长物种的合成独立性最低且互依赖性最高

对305个高质量基因组（完整性>90%，污染<5%）的分析显示，来自单一和双物种培养物的基因组表现出较高的合成独立性，而来自三物种和超过三物种培养物的基因组则显示出逐渐降低的合成能力。这种差异在精氨酸、脯氨酸、苯丙氨酸等氨基酸的合成途径中尤为明显。即使考虑基因组质量差异，这种模式依然存在，证实了其生物学真实性。

波罗海的合成依赖性：不同的微生物成功路径

通过对所有高质量基因组的合成能力进行主成分分析(PCA)和Uniform Manifold Approximation and Projection(UMAP)分析，研究人员将微生物分为三个明显的合成完整性组别：低（0-30%）、中（30-62.5%）和高（>62.5%）。低组合性组主要由Patescibacteria和单个厚壁菌门基因组组成；中组以拟杆菌门和浮霉菌门为主；高组则包含更广泛的门类多样性，其中又可分为两个亚群：一个亚群（Cluster A）基因组更大，是维生素B₁₂的主要生产者；另一个亚群（Cluster B）则显示出更高的维生素B₃合成能力。

讨论与意义

这项研究通过微生物模型群落的培养策略，成功架起了实验室培养与自然环境之间的重要桥梁。研究表明，传统的纯培养方法存在明显的偏见，更倾向于捕获那些基因组较大、代谢独立性强的微生物，而忽略了自然界中丰富但代谢依赖性强的重要类群。

研究人员发现，在含有超过三个物种的复杂群落中生长的微生物，其氨基酸和B族维生素的合成能力显著低于那些能够单独或在简单群落中生长的微生物。这一发现支持了“黑皇后假说”(Black Queen Hypothesis)，即微生物在进化过程中会丢失某些代价高昂的代谢功能，转而依赖群落其他成员提供这些必需代谢物。这种代谢分工促进了微生物之间的互依赖性，可能增强整个群落的稳定性。

特别值得注意的是，研究团队开发了一种新的途径完整性评估方法，将合成依赖性视为一个连续谱而非简单的二元分类（原养型vs.营养缺陷型）。这种方法揭示了微生物代谢能力的细微差异，更能反映自然界中复杂的代谢互作网络。

从生态学角度看，这项研究证实了代谢互依赖性在波罗海浮游细菌中是一种普遍策略。那些最成功、最广泛分布的微生物类群往往具有更精简的基因组和更低的独立合成能力，它们通过形成代谢互补网络在复杂环境中茁壮成长。

这项研究的发现不仅深化了我们对微生物群落组装机制的理解，也为未来的微生物培养策略提供了重要启示。通过模拟自然条件下的群落环境，而非追求单一物种的分离，我们有望捕获更多具有生态重要性的微生物，从而更全面地揭示微生物世界的奥秘。随着对微生物互作网络理解的深入，我们或许能够设计更有效的微生物群落，应用于环境修复、农业生产和人类健康等领域。