- 4 次围观
微生物群落存在于所有生境中，然而，个体在可利用营养物质上的生长如何扩展至群落组装层面，仍然知之甚少。这一缺口主要源于物种相互作用效应尚不明确。这些相互作用之所以产生，是因为单个种群既会消耗初级底物，也会将其转化为可被其他种群利用的代谢物；同时，寄生和捕食机制还能释放细胞构件，从而使营养物质得以再利用。在此，我们提出了一个数学框架，可基于单培养生长动力学、资源可用性以及物种相互作用参数，预测群落生长和组成演替。 为对物种相互作用进行参数化，我们采用模拟退火优化算法搜索参数空间，以寻找能够最小化模型群落生长与实验时间序列之间差异的参数集合；实验数据来源于土壤微宇宙体系，这些体系接种了由20种或21种土壤分离株组成的定义群落，且包含或不包含一个机会性食细菌成员。随后，利用优化得到的相互作用参数集合，我们预测了一个独立的21成员群落以及若干物种缺失群落中的生长动力学。我们发现，群落发育呈现双相特征：初始阶段由菌株固有生长动力学驱动、以对初级资源的竞争为主导；随后阶段则受交叉营养和对释放副产物所形成生物量的利用所支配。配对的宏转录组分析证实了所预测的个体生长状态转变，并揭示了与代谢物和细胞构件突然重新可用相关的代谢重构。排除了物种相互作用的模型模拟仅再现了观测到群落生物量的五分之一，凸显了交叉营养对土壤群落生长的重要性。总体而言，即使环境营养组成在很大程度上未知，整合单培养生长动力学与推断物种相互作用的模型，仍可根据起始接种物预测中等复杂度群落的动态。
微生物群落存在于所有生境中，然而个体在可利用营养物上的生长如何尺度化为群落组装过程，仍然知之甚少。这一空白在很大程度上源于物种相互作用效应的不明确。这些相互作用之所以产生，是因为单个种群不仅消耗初级底物，还将其转化为可被其他成员利用的代谢物；同时，寄生和捕食机制还能够释放细胞构件，从而使营养物得以再利用。在此，我们提出了一个数学框架，能够基于单培养生长动力学、资源可用性以及物种相互作用参数来预测群落生长和组成演替。为对物种相互作用进行参数化，我们采用模拟退火优化算法搜索参数空间，以寻找能够最小化模型化群落生长与实验时间序列之间差异的参数集合。实验时间序列来自土壤微宇宙体系，这些体系接种了由20种或21种土壤分离株组成的定义群落，且分别包含或不包含一个机会性食细菌成员。随后，利用优化得到的相互作用参数集合，对一个独立的21成员群落以及若干物种缺失群落中的生长动态进行了预测。我们发现，群落发育呈现双相特征：初始阶段由菌株固有生长动力学驱动、以对初级资源的竞争为主；随后进入由交叉营养和对释放副产物所形成生物量的利用所主导的阶段。配对的宏转录组分析证实了对个体生长状态转变的预测，并揭示了与代谢物和细胞构件突然重新可获得性相关的代谢重定向。排除物种相互作用的模型模拟仅再现了观测到群落生物量的五分之一，凸显了交叉营养对土壤群落生长的重要性。总体而言，将单培养生长动力学与推断得到的物种相互作用相整合的模型，即使在环境营养组成在很大程度上未知的情况下，也能够根据起始接种物预测中等复杂度群落的动态。
📄 原文链接：https://www.biorxiv.org/content/10.64898/2026.07.10.737752v1?rss=1
🏷️ 细菌群落组装 物种相互作用 交叉营养 土壤微生物 数学建模 宏转录组