自然环境中的微生物有很大一部分是营养缺陷型微生物，其生长依赖于代谢物交换。黑皇后假说及相关理论框架解释了基因丢失以及对共享代谢物的依赖。然而，代谢物交叉喂养如何产生，并进一步形成实验上可观测的群落功能，目前尚未得到充分理解。在此，我们提出，生物合成途径中间体的交换为代谢物交叉喂养的产生提供了一条机制性路径。基于先前关于大肠杆菌营养缺陷型菌株之间存在中间体交换的研究，我们考察了甲硫氨酸营养缺陷型菌株（{Delta}metA）与一组组氨酸营养缺陷型菌株之间的共培养。在这些菌株中，只有{Delta}hisD表现出与{Delta}metA高效共培养生长的能力，这表明组氨酸生物合成的最后一步，即将组氨醇转化为组氨酸的步骤，具有独特作用。我们发现，{Delta}metA-{Delta}hisD共培养物中积累了高水平的胞外组氨醇（>200 M），这提示了一种代谢物交换机制。来自这些共培养物的废培养基能够支持除{Delta}hisD之外所有组氨酸营养缺陷型菌株的生长，从而证实组氨醇而非组氨酸是主要交换的代谢物。此外，我们观察到，只有在甲硫氨酸受限条件下，{Delta}metA才能高效地将组氨醇转化为组氨酸，这表明营养限制促进了转化后组氨酸向胞外环境中的溢出。为了定量评估组氨醇交换是否能够解释所观察到的共培养行为，我们构建了一个机制模型，通过{Delta}metA菌株经独立测定的转化能力，将胞外组氨醇动态与共培养生长联系起来。该模型并非拟合生长在实证分析中，我们利用实验测得的参数，根据组氨醇向组氨酸的转化通量预测共培养体系的生长情况。模型准确再现了生长和种群动态的时序与幅度，支持这样一种观点：组氨醇的积累促成了由转化驱动的组氨酸供给，从而维持了 {Delta}hisD 的生长，同时使两个菌株的生长相互耦合。综上，这些结果表明，在营养互作型共培养体系中，代谢物交叉供养可能源于途径中间产物的积累及其在营养受限条件下的转化，并为互利相互作用的快速建立提供了一种合理机制。
代谢途径中间体的交换是大肠杆菌营养缺陷型共培养体系中代谢物交叉喂养相互作用的起源｜bioRxiv
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代谢途径中间体的交换是大肠杆菌营养缺陷型共培养体系中代谢物交叉喂养相互作用的起源
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Maciek Antoniewicz
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https://doi.org/10.64898/2026.10.08.757639
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自然环境中的大量微生物属于营养缺陷型，依赖代谢物交换维持生长。黑皇后假说及相关理论框架解释了基因丢失以及对共享代谢物的依赖。然而，代谢物交叉喂养如何产生，并进而形成实验中可观察到的群落表现，目前尚未得到充分理解。在此，我们提出，生物合成途径中间体的交换为代谢物交叉喂养的产生提供了一种机制途径。基于此前关于大肠杆菌营养缺陷型菌株之间存在中间体交换的研究，我们考察了甲硫氨酸营养缺陷型菌株（ΔmetA）与一组组氨酸营养缺陷型菌株之间的共培养体系。在这些菌株中，只有 ΔhisD 能与 ΔmetA 实现高效共培养生长，这表明组氨酸生物合成的最后一步具有独特作用，该步骤可将……
组氨醇转化为组氨酸。我们发现，ΔmetA-ΔhisD 共培养物中胞外组氨醇的累积水平较高（>200 μM），提示代谢物交换可能通过这一机制发生。来自这些共培养物的培养上清能够支持除 ΔhisD 以外的所有组氨酸营养缺陷型菌株生长，证实主要交换的代谢物是组氨醇，而非组氨酸。此外，我们观察到，ΔmetA 仅在甲硫氨酸受限条件下才能有效地将组氨醇转化为组氨酸，这提示营养受限会促进转化生成的组氨酸溢出至胞外环境。为定量评估组氨醇交换是否足以解释观察到的共培养行为，我们构建了一个机理模型，将胞外组氨醇动态与共培养生长联系起来，并纳入了通过独立测量获得的 ΔmetA 菌株转化能力。我们没有通过经验拟合来描述生长，而是使用实验测得的参数，根据测得的组氨醇向组氨酸转化通量预测共培养生长。该模型准确再现了生长和种群动态的时间进程与幅度，支持这样一种观点：组氨醇的累积使由转化驱动的组氨酸供给得以实现，从而维持 ΔhisD 生长，并使两个菌株的生长相互耦合。综上，这些结果表明，在共营养共培养体系中，代谢物交叉供养可能源于途径中间产物的累积及其在营养受限条件下的条件性转化，为互利相互作用的快速建立提供了一种合理的机制。
利益冲突声明
作者声明不存在利益冲突。
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大肠杆菌营养缺陷型共培养体系中代谢通路中间体的交换：代谢物交叉喂养相互作用的起源
Yijing Cai，
Maciek Antoniewicz
bioRxiv
2026.10.08.757639；
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https://doi.org/10.64898/2026.10.08.757639
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大肠杆菌营养缺陷型共培养体系中代谢通路中间体的交换：代谢物交叉喂养相互作用的起源
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2026.10.08.757639；
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关键词：代谢物交叉营养 · 营养缺陷型共培养 · 代谢途径中间体 · 组氨醇交换 · 营养限制 · 大肠杆菌
原文链接：https://www.biorxiv.org/content/10.64898/2026.10.08.757639v1?rss=1