普林斯顿大学的科学家解释了不同物种如何在微生物群落中共存

许多生物群落的多样性是生态系统平衡的标志。当一个物种占据主导地位时，整个系统就会失控。

例如，某些海洋藻类物种不受控制的过度生长导致有毒的赤潮，杀死鱼类和其他海洋生物，并使人类患病。在更个体的层面上，人类的肠道中有大量不同的细菌，它们对营养物质的适当消化和吸收至关重要。细菌群落的破坏或失衡会导致一种有毒物种的大量生长，从而导致恶心、腹泻和其他疾病。我们迫切需要了解微生物群落多样性是如何发展和维持的，特别是当人类活动改变我们的外部和内部环境时。

普林斯顿大学的研究人员Amir Erez, Jaime Lopez, Ned Wingreen和他的同事建立了一个模型，当微生物所依赖的营养物质只有季节性的时候，细菌群落的物种多样性是如何受到影响的。用荧光标记标记细菌和小鼠肠道细胞。

Photo by KC Huang, Biophysics, Stanford University

和所有生命一样，微生物需要特定的营养物质，如阳光、糖类或氮源，才能生存和繁殖。许多微生物物种的营养需求是重叠的，使它们相互竞争。人们花了很多精力来了解当营养物质稳定供应时，这种竞争是如何影响微生物多样性的。然而，在自然界中，只有季节性的资源是很常见的，所以它们的供应至少在某些时候是非常有限的。例如，肠道中以糖为生的细菌可能会在人类刚吃完一顿饭后发现这些糖非常丰富，而在其他时间则更加稀少。因为每一种细菌在基因上都是独一无二的，所以它们会有自己独特的策略来利用特定的营养物质。具有最有效利用可用营养的策略的物种生长得最好。

“微生物长期问题担忧很多不同的微生物物种如何共存竞争有限的资源时,“Ned Wingreen说,霍华德·A .生命科学教授之前,分子生物学教授和Lewis-Sigler整合基因组学研究所的资深作者的一篇论文在9月11日的《eLife》杂志上。

研究人员可以在实验室里重现季节性的营养供应，方法是把细菌放在一个有营养的容器里，让它们生长，然后取一个小样本，把它移到一个新的营养容器里——这个过程叫做“连续稀释”。随着时间的推移，栽培中不同物种的相对丰度会根据可利用的营养物质和物种的营养利用策略发生变化。通过多次连续稀释，科学家可以观察到季节性供应的营养物质对群落多样性的影响。

不同的颜色代表不同物种的相对丰富性，当营养只有季节性的时候。当营养物供给量非常低(上图)或非常高(下图)时，群落多样性很高，但在营养物供给的中间水平上，一个物种以牺牲其他物种(深蓝线，中间图)为主。

Graph courtesy of Amir Erez, Jaime G. Lopez, Benjamin Weiner, Yigal Meir, and Ned S. Wingreen

用这种方法来检验所有可能的细菌组合、营养成分和营养利用策略是不实际的。相反，这个研究团队——包括副研究学者Amir Erez和研究生Jaime Lopez，论文的合著者和Wingreen实验室的成员——通过建立连续稀释的数学模型来研究这个问题。

“在我们的论文中，我们通过模拟周期性的营养添加和消耗，发展了季节性生态系统中微生物资源竞争的一般理论，”Wingreen说。

当营养物质只能季节性供应时，该模型揭示了物种多样性和营养物质供给量之间令人惊讶的关系。首先，当所有营养物质都大量供应时，物种多样性就很高，因为在高营养水平下，所有物种的生长都是同样不受限制的。在营养含量很低的情况下，多样性也很高，因为在这种条件下，所有物种的生长都受到限制，没有物种能获得优势。

温格林说:“季节性生态系统中营养消耗的权衡可以导致稳定的生态系统，支持的多样性超出了简单数学模型的预测。”

然而，在中等营养水平上，物种多样性会急剧下降，因为总有一种物种能够比其他物种更好地利用目前最丰富的营养。这一被作者称为“早起鸟”的物种获得了其他物种无法弥补的早期生长优势。

“早起的鸟类利用它们较早获得营养的机会来排除它们不那么早的竞争对手，”温格林说。“早起的鸟儿能有效地吸收容易获得的营养，并利用其早期优势在不容易获得的营养方面胜过竞争对手。”

“早起鸟效应”甚至出现在更精细的模型版本中，它允许物种以其他物种新陈代谢的副产品为食，或者让一个正在缩小的物种的成员通过新个体的迁移来补充能量。但是，早起的鸟儿的身份，或者是否会有早起的鸟儿，会根据模型的输入而改变:有什么营养成分，多少营养成分;营养素的供应频率;哪些物种存在，它们的策略是什么。无论何时出现，早起的鸟儿都会影响生态系统对营养变化的反应。

生态学家长期以来一直在寻找生物多样性和群落营养供应量之间的普遍关系。我们的模型不支持这种普遍关系的存在，”温格林说。

“这是一篇重要的论文，”耶鲁大学(Yale University)生态和进化生物学教授、eLife编辑阿尔瓦罗·桑切斯(Alvaro Sanchez)说。“它提供了一个优雅的建模框架来理解营养供应和竞争如何在微生物群落中构建共存和多样性，它将推动新的实验。”

由Amir Erez、Jaime G. Lopez、Benjamin Weiner、Yigal Meir和Ned S. Wingreen合著的《连续稀释生态系统中的营养水平和权衡控制多样性》发表在最新一期的《生活》上。(DOI: 10.7554 / eLife.57790)。这项工作得到了美国国家科学基金会GM082938、dd -1656466、py -1734030、py -1748958、NIH R25GM067110和Gordon and Betty Moore基金会2919.01的资助。