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科学家解释了微生物群落中多种物种如何共存

许多生物群落中的多样性是生态系统平衡的标志。当一个物种占主导地位时,整个系统就会陷入困境。例如,某些海洋藻类物种的过度控制引起了有毒的赤潮,这些赤潮杀死了鱼类和其他海洋生物,并使人类生病。从更个人的角度来看,人的肠道包含大量不同细菌,这对于正确消化和吸收营养至关重要。该细菌群落的破坏或失衡会导致有毒物质的生长旺盛,引起恶心,腹泻和其他疾病。显然,迫切需要了解如何开发和维护微生物群落多样性,尤其是随着人类活动改变我们的外部和内部环境。

像所有生命一样,微生物需要某些养分才能生存和繁殖,例如阳光,糖或氮源。许多微生物物种的营养需求重叠,使它们彼此竞争。在稳定供应养分的过程中,人们付出了很多努力来理解这种竞争如何影响微生物多样性。但是,从本质上讲,仅季节性提供资源是很常见的,因此至少在某些时候严重限制了资源的供应。例如,人类吃完饭后,肠道中以糖为食的细菌可能会发现这些细菌的丰富,而其余时间却很少。因为每种细菌种类从基因上讲是独特的,使用给定的营养素将有其独特的策略。使用最有效策略利用可用养分的物种生长最快。

普林斯顿大学分子生物学系教授,资深作者内德·温格林说:“关于微生物的一个长期存在的问题是,当争夺有限的资源时,有多少种不同的微生物能够共存?” eLife杂志。

研究人员可以通过将细菌放入装有营养物质的容器中,使其生长,然后采集少量样本并将其移至新的营养物质容器中,从而在实验室中重新建立季节性营养物质供给的过程(称为“串行稀释”)。随着时间的流逝,培养物中不同物种的相对丰度将根据可利用的养分和该物种的养分利用策略而变化。通过重复进行系列稀释,科学家可以观察季节性提供的营养对群落多样性的影响。

普林斯顿大学的研究人员Amir Erez,Jaime Lopez,Ned Wingreen和同事在2020年9月11日发表在《 eLife》杂志上的论文中,使用数学模型来探索当微生物所依赖的养分仅在季节性可用时如何影响细菌群落中的物种多样性。 。在这里,当营养仅在季节性可用时,不同的颜色代表不同物种的相对丰度。当大量营养素提供的营养素含量非常低(顶部图)或非常高(底部图)时,社区多样性很高,但是在中等营养水平下,一种物种以其他物种为代价(深蓝线,中间图)占主导地位供应。图片来源:Amir Erez,Jaime G. Lopez,Benjamin Weiner,Yigal Meir和Ned S. Wingreen

当然,使用此方法检查细菌,营养物和营养物利用策略的所有可能组合将是不切实际的。相反,副研究员Amir Erez和研究生Jaime Lopez(该论文的共同作者和Wingreen实验室的成员)及其合作者通过对系列稀释进行数学建模来研究此问题。

Wingreen解释说:“在我们的论文中,我们通过对周期性养分的添加和消耗进行建模,建立了季节性生态系统中微生物资源竞争的一般理论。”

当养分仅季节性供应时,模型揭示了物种多样性与养分供应量之间令人惊讶的关系。首先,当所有养分的供应量很高时,物种多样性就很高,因为在高养分水平下,所有物种的生长同样不受限制。在非常低的养分含量下,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,而且没有任何物种能够获得优势。

Wingreen观察到:“季节性生态系统中的养分消耗权衡可以导致稳定的生态系统,支持多样化,这超出了简单数学模型所预测的范围。”

但是,在中等养分水平下,物种多样性会急剧下降,因为总会有一种物种使用最丰富的养分的能力超过其他物种。作者称其为“早起的鸟类”,该物种获得了其他物种无法弥补的早期生长优势。

Wingreen解释说:“早起的鸟类利用其较早的营养获取来排除其不太早的竞争者。” “早起的鸟类有效地吸收了容易获得的营养,并利用其早期优势在竞争中与那些不易获得的营养素竞争。”

早期鸟类效应甚至出现在模型的更精细版本中,该模型允许物种以他人的代谢副产物为食,或者通过新个体的迁徙来补充正在减少的物种的成员。但是,早起的鸟类的身份,甚至是否会出现这种鸟类,都会根据模型的输入而变化:存在哪些营养成分和数量?营养素的供应频率;以及存在哪些物种及其策略。无论何时出现,早起的鸟类都会影响生态系统对养分变化的反应。

温格林说:“生态学家长期以来一直在寻求生物多样性与向社区提供的养分之间的普遍关系。我们的模型不支持这种普遍关系的存在。”

耶鲁大学生态与进化生物学教授,eLife的编辑Alvaro Sanchez说:“这是一篇重要的论文。” “它提供了一个优雅的建模框架,以了解养分的供应和竞争如何构成微生物群落的共存和多样性,并将激发新的实验。”

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