Cell子刊 | 多糖降解海洋微生物群落的组装机制
推荐：江舜尧
编译：沧浪烟客
编辑：董小橙
美国麻省理工学院Tim N. Enke和Otto X. Cordero等人于2019年4月25日在《Current Biology》上发表题目为《Modular Assembly of Polysaccharide-Degrading Marine Microbial Communities》的文章。研究人员从类似代谢网络或多域蛋白质这种复杂生物系统的共性特征（即通过功能集团的简单组合可分解或组合相互连接的系统）得到启发，证明微生物群落的组装也可以遵循相似的逻辑。这种简单的逻辑为研究人员提供了潜在的设计合成微生物群落，并通过底物供应加以控制的原则。
文章摘要
了解地球生物群系中微生物群落组装的原则是现代微生物生态学的一个主要挑战。因难以将功能和相互作用映射到具有巨大分类多样性的群落，以及难以确定微生物相互作用的规模，使得此工作变得复杂。为了应对这一挑战，我们重点关注在海洋中生长并降解颗粒有机物的细菌群落。我们发现这些群落的组装可以简化为功能模块的线性组合。将合成的多糖颗粒浸入天然浮游细菌组合中，我们发现颗粒中微生物演替动力学是由两类模式的相互作用驱动的：第一类是由狭义的初级分解者组成的，其动力学变化受颗粒多糖组分控制；第二类则包含独立于底物的群体，其动力学变化受种间相互作用控制，特别是通过有机酸、氨基酸和其他代谢副产物之间的交叉喂养。我们发现，基于这种营养结构，群落可通过简单的底物特异性初级分解者模块的集合进行模块化组装，即每个底物特异性初级分解者模块对应一个复杂多糖的粒子，并连接到一个具有广泛的生态位范围的消费者模块。依据此模型，单多糖颗粒上群落的线性组合可以准确预测混合多糖颗粒上的群落组成。我们的研究结果表明，降解复杂有机材料的异养群落的集合遵循简单设计原则，此原则可用于设计异养微生物群落。
研究亮点
· 复杂的海洋微生物群落由功能集团组成
· 功能集团通过代谢交叉喂养占据营养水平
· 群落组装通过这些功能集团的模块化实现
· 群落组成可根据底物组成进行预测
文中主要图片说明
图1 | 四种不同海洋多糖的快速演替动力学。（A）由琼脂糖、海藻酸盐、几丁质或角叉菜胶制成的顺磁性水凝胶珠在天然、未过滤的沿海海水中孵化。顶部：粒子的相位对比图像（磁芯为黑色）。底部：荧光显微镜图像显示，经136小时培养后，用SYTO9染色的颗粒，颗粒表面呈现密集的微生物群落。（B）每种粒子类型的演替动力学。
图2 | 窄谱和宽谱功能集团的无监督检测。（A）按照四种粒子类型的细菌分类聚类。生态位宽度分值（灰色条）表明生态位宽度的分布是双峰（见顶部的柱状图）。（B和C）宽谱ASV（B）和窄谱ASV（C）的动力学。（D）基于16S rRNA基因序列相似性的ASV系统发育分布。
图3 | 宽谱模块的促进作用是通用的，且由多种氨基酸和有机酸分泌物介导。（A）窄谱分解者psychB3M02和5种宽谱非分解者在褐藻酸盐（左）和已用过的psychB3M02培养基上的生长曲线。（B）从psychB3M02、loktaD2R18和marinF3R11的完整基因组以及目标代谢组学数据推断出的可能的交叉喂养途径模型。
图4 | 通过功能集团的线性组合进行群落组装。（A）基于单底物矢量的线性组合，以对数标度绘制的混合粒子中的ASV频率与预测的ASV频率的比较。（B和C）琼脂糖（B）和海藻酸钠（C）特异性ASV在混合和单基质颗粒中相似的ASV轨迹。（D）模块化组装模型反映了代谢途径的结构。
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