原创 集智编辑部 2024-12-06 19:32 北京
探讨了微生物群落的多稳定性现象，揭示了合作生长在其中的核心作用
关键词：复杂生态系统，微生物群落，多稳定性，合作生长，竞争生长
论文题目：Cooperative growth in microbial communities is a driver of multistability
论文地址：https://www.nature.com/articles/s41467-024-48521-9
期刊名称：Nature Communications
从地球生化循环到人类健康，微生物群落在整个生态系统中都发挥着至关重要的作用。微生物群落可以表现出多稳定性（multistability），即在相同的环境下，微生物丰度可能达到不同的稳定状态，但目前多稳定性背后的驱动因素尚不明确。近期发表在Nature Communications的一篇研究提供了机制方面的解释，揭示了合作生长是微生物群落多稳定性的基础。
研究组构建了一个包含六种物种的跨界微生物群落模型，这些物种包括常见的共生菌和致病菌。实验显示，在相同的初始条件下，该群落最终可以稳定地进入四种不同的稳定状态，每种状态分别由一种物种主导。对这六种物种的两两竞争实验表明，所有的物种对均表现出双稳定性，即初始占优的物种会通过排他性增长压制另一物种。
传统观点认为，双稳定性通常由强竞争驱动，研究者提出，这种现象还可能由合作生长机制引起。通过培养基交换实验和生长率测量，研究发现一些物种间存在明显的合作行为。例如，某些物种的代谢产物能促进其他物种的生长。此外，物种种群生长模式也有差异，部分物种表现出 Allee Effect，即当种群密度低于某一阈值时，生长率显著下降，研究者通过建立理论模型，发现这种正密度依赖特性进一步驱动了双稳定性和多稳定性的形成。
为进一步揭示合作生长的作用，研究者在培养基中添加可以削弱 Allee Effect 的物质：谷氨酸。结果表明，谷氨酸的加入降低了双稳定性的出现频率，并最终减少整个群落中的稳态数量，六种物种的群落从原来的四种稳定状态减少到两种，从而验证了合作生长在多稳定性形成中的关键作用。
综上，本文通过结合实验和理论建模，深入探讨了微生物群落的多稳定性现象，揭示了合作生长在其中的核心作用。未来的研究可以进一步验证这些机制在更复杂生态系统中的普遍性，为人类健康和生态系统管理带来更深远的影响。
图 1. (a) 与人类呼吸道相关的共生和致病物种的跨界选择。(b) 实验流程示意图。(c) 初始丰度相等的不同次重复实验，群落最终组成差异较大。(d) 初始设置一个物种为高丰度（95%的细胞），发现最终四种不同物种（Se, Sa, Mc，和Cn）主导群落的稳定状态。
图 2. (a) 实验方案：在控制每一种稳定状态的四种焦点物种之间进行了成对竞争实验。6对中每个物种分别作为优势物种（99%丰度）和少数物种（1%），竞争2次。(b) 两两竞争实验的三个典型结果示意图。共存（左）：两种物种的丰度趋同于一个中间值，两种物种随着时间的推移而持续存在。排斥（中间）：不管最初的丰度如何，一个物种取代了另一个物种。双稳定性（右）：竞争的赢家是由初始物种丰度决定的。(c) 竞争实验中6对物种的相对丰度变化。(d)焦点物种的相互作用表现出广泛的双稳定性。
图3. (a) 实验方案：焦点物种单独培养24 h，滤出细胞。所有焦点物种都在其他物种的废培养基以及它们自己的培养基中生长。(b) 在废培养中物种生长的热图，显示了物种间的抑制和促进相互作用，以及合作生长或自我促进。(c) 焦点物种的生长速率随初始种群密度的变化揭示了Cn的logistic增长模式，Sa和Se都受到弱Allee效应的影响，Mc有强Allee效应。(d) Lotka-Volterra模型预测的竞争和双稳定性结果。
彭晨 | 编译
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