代谢抑制可促进微生物伙伴的紧密物理整合

微生物常常产生抑制自身或共生群落生长的副产物。此类强加的约束可以通过共生伙伴关系得到缓解：其中一方消耗该限制性因子，从而形成互利合作。关于线粒体起源的理论设想，伙伴间这种代谢互营关系是最初的相互作用形式，且通常伴随着机械性的膜结构重塑，以捕获该变形菌门α-变形菌共生体，从而确保垂直遗传，并作为内共生的先决条件或前奏。然而，我们并不知道这一过程究竟是如何发生的。在此，我们利用一个数学模型，研究这种代谢性自我抑制如何使互营伙伴之间紧密的物理整合得以进化并受到促进。 我们表明，当某一物种产生一种对自身具有抑制作用的代谢物时，自然选择将有利于其与解毒型伙伴形成日益紧密的空间关联，以减轻这种自限性产物在局部的积累。在广泛的参数范围内，这一过程会驱动表面相关构型的出现，并促进形态学适应，例如增加伙伴间接触面积的膜突起或膜内陷。我们的结果证明，这类代价高昂的宿主膜构象扭曲可以作为一种进化手段出现，以增强保护性互营外共生体通过减少抑制所带来的收益。此外，双方之间单向的互营相互作用已足以实现这一转变；并不需要互利的（或双向的）相互作用。 我们的模型在代谢耦合与物理整合之间建立了直接的进化联系，表明缓解（自我产生的）抑制的需求可以成为外共生附着及其向更紧密关联转变的首要驱动力。我们的发现为理解微生物联合体如何从最初松散的代谢相互作用进化出结构复杂性提供了一个通用的理论框架，并对稳定共生关系的起源以及迈向细胞整合的早期步骤具有启示意义。

微生物常常会产生抑制自身或共生群落生长的副产物。此类强加的限制可通过共生伙伴关系得到缓解：伙伴消耗该限制因子，从而形成互利合作。关于线粒体起源的理论设想，这种伙伴间的代谢互营作用是最初的相互作用形式，并且往往伴随着机制性的膜结构重塑，以捕获α-变形菌共生体，从而确保其垂直遗传，并作为内共生发生的前提或序幕。然而，我们并不知道这一过程是如何发生的。在此，我们利用一个数学模型，研究这种代谢性自我抑制如何使互营伙伴之间紧密物理整合的演化成为可能并加以促进。我们表明，当某一物种产生一种对自身具有抑制作用的代谢物时，自然选择会促进其与能够解毒的伙伴之间形成越来越紧密的空间关联，以减轻这种自限性产物在局部的积累。在广泛的参数范围内，这一过程推动了表面附着型构型的出现，并促进膜突起或膜内陷等形态适应，这些适应能够增加伙伴之间的接触面积。我们的结果证明，这类代价高昂的宿主膜构象扭曲能够作为一种进化手段而出现，以增强保护性互营外共生体通过降低抑制作用所带来的收益。此外，参与双方之间单向的互营相互作用已足以促成这种转变；并不需要互利型（或双边型）相互作用。我们的模型建立了代谢耦合与物理整合之间的直接进化联系，表明缓解（自我产生的）抑制的需求，可能是驱动外共生附着及其向更为紧密关联转变的首要因素。我们的研究结果为理解微生物联合体如何从最初松散的代谢相互作用演化出结构复杂性提供了一个通用的理论框架，并对稳定共生关系的起源以及迈向细胞整合的早期步骤具有启示意义。

📄 原文链接：https://www.biorxiv.org/content/10.64898/2026.07.13.738165v1?rss=1

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