灵感源于生活：婚姻问题与菌群稳态

作者：任鹏，南京农业大学硕士在读。主要研究根际资源与微生物互作。

周刊主要展示LorMe团队成员优秀周报，每周定期为您奉上学术盛宴！本期周刊介绍如何通过现实生活中的稳定婚姻问题解释菌群稳态。原文来自于2018年发表在ISME Journal上的文章《Multiple stable states inmicrobial communities explained by the stable marriage problem》

导

Lead

读

一个微生物群落通常具有多种可以相互转变的稳态，能否预测并控制不同稳态之间的转变是值得深究的问题。本文作者受“稳定婚姻问题”启发，根据微生物对资源的偏好程度和竞争能力大小两个关键参数，利用模型确定所有可能存在的稳态，并预测了由于移除或添加某种特定资源或微生物引起的稳态转变。最后，以人类肠道共有的7种可利用多糖的拟杆菌为例，模拟三种不同的稳态，并比较每种稳态下各物种丰度的平均值，由此推测资源偏好的互补性可能是这些物种能够高度共存的重要原因。

巧妙的思路转变——将稳态问题明确化和简单化

“稳定婚姻问题”在生活中是一个典型的问题，通俗地可叙述为：当前有N位男生和N位女生最后要组成稳定的婚姻家庭，过程开始之前男生和女生在各自的心目中都按照喜爱程度对N位异性有了各自的排序，然后开始选择自己的对象。该问题不仅仅是平常生活中而且还是数学界一个典型的研究问题之一。本文作者从中受到启发，认为微生物和养分之间同样存在类似的“配对”问题。

将微生物可利用的资源按照其喜好程度由深至浅依次排列（1至N），微生物首先利用资源1，并以此类推至资源N（图1A）。当存在多种微生物同时利用同一资源的情况，则根据不同微生物对该资源的竞争能力大小决定资源的最终“归属权”（图1B）。因此，作者将菌群的稳定问题转变到微生物对资源的喜好程度和竞争能力大小两个因素上，巧妙地避免了因参数过多而导致的模型复杂问题（图1）。

图1 受“稳定婚姻问题”启发的微生物菌群动力学模型

稳态的另类见解——何为菌群的稳态？

同样受“稳定婚姻问题”的启发，作者认为，菌群的稳态就是微生物对资源的选择、微生物与微生物之间相互竞争之后的客观结果。在稳定状态下，任何微生物（如：M1）都不能转变其当前利用的养分（N2）到更偏好的养分（N1）上，同时无法与目前正在利用N1的微生物（M2）在竞争中获胜。

结 果

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两个稳态之间的相互转变

既然微生物对资源的选择和竞争导致了菌群最终以某种稳态而存在，那么不同稳态之间的转变也应该与这两种因素密切相关。作者首先以一种最简单的情况来表述菌群稳态的转变。假设一个体系中只有两种微生物（M1、M2）和两种资源（N1、N2），那么该体系无非存在两种稳态（S1、S2），即：

S1：M1利用N1，M2利用N2（图2A）；

S2：M1利用N2，M2利用N1（图2B）。

由于稳态S1中的两种微生物均占据各自偏爱的资源，所以S1是以一种更优级的形式存在。不仅如此，作者推测物种的入侵或益生元的添加是导致稳态相互转变的重要因素。其中的原理仍是微生物对资源的喜好程度和竞争能力大小（图2）。

由各微生物对资源的竞争能力可知：M3的入侵将导致M2在与M3竞争资源N2的过程中处于劣势，并造成M2与M1竞争资源N1，同时迫使M1转向利用资源N2。由于M1对N2的竞争能力强于M3，最终M3虽未能成功入侵但却改变了菌群的资源利用模式，使菌群的稳定状态由S1转为S2（图2A）。

由各微生物对资源的偏好程度可知：资源N3的添加使得M2转向利用N3，与此同时，M1迅速占据其偏好的资源N1从而使资源N2处于未被利用状态。随着N3消耗殆尽，M2重新利用资源N2。最终，N3虽被完全消耗但改变了菌群的资源利用模式，使菌群的稳定状态由S2转为S1（图2B）。

图2 两种稳态之间的相互转变

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多个稳态之间的相互转变

如图2所示，通常情况下，同一菌群可能存在的稳态的数量与菌群中微生物的数量和养分的种类成正比。作者展示了由七种微生物和七种养分组成的体系，并列出了各微生物对各养分的喜好程度以及竞争能力大小（图3最左侧方框）。

模型预测该体系有五种稳态（图3A，S1-S5），且不同的稳态之间可以通过移除微生物或养分实现相互转变（图3B）。但只有特定养分或微生物被移除才会导致稳态的转变（图3C，3D）。此外，模型还展示了稳态的数量与微生物和养分种类之间的数量关系。随着微生物和养分种类的增加，体系的稳态的数量也随之增加，但只有当微生物和养分种类数量接近时，稳态的数量最大（图3E）。

图3 多个稳态之间的转变

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资源偏好互补式多物种共存的机制

人体肠道中存在着众多且代谢库强烈重叠的微生物，理论上，当这些微生物共处于同一环境中时会发生强烈排斥，而实际上它们却形成了非常稳定的互作关系。这背后的机制是什么？又是什么在支撑着它们的共存呢？

作者以普遍存在人体肠道中的七种拟杆菌和它们所能利用的九种多糖为研究体系（图4最左侧方框），并通过模型计算三种稳定性不同的稳态菌群：1）资源偏好互补下的稳态，2）部分资源偏好冲突下的稳态和3）最大资源偏好冲突下的稳态（图4B）。随后计算不同稳态下各物种丰度的平均值。结果显示，1）中各物种丰度的平均值最高（图4C）。因此，为了达成更优级的稳态，这些物种必须在彼此之间合理分配养分。各微生物代谢库的高度重叠迫使微生物进化出一套互补的资源偏好特性。

图4 肠道拟杆菌群三种稳态之间的比较

总 结

通过该篇文章，我们可以试着这样去描述一个菌群的稳态：同一菌群的任何一种状态都是一种稳态，区别在于稳态的不同会导致稳定性的不同以及功能的不同。更重要的是，文章明确指出物种的入侵和益生元的添加可导致菌群稳态转变。若用该模型去理解土传病害的爆发，可认为病原菌的入侵扰乱了原菌群的稳定状态，这可能是土传病害发生的重要原因。而益生元的添加反其道而行之，及时修补了由病原菌入侵而导致的菌群稳定级的下降。不仅如此，作者这种“生活化”的思路也值得借鉴，一个简单的类比成就一个简单的模型去解释一个复杂的微生态问题。科研的灵感源于生活，一篇优秀文章的背后更是对事物本质的思索、摸索和孜孜不倦的探索。

论文信息

原名：Multiple stable states inmicrobial communities explained by the stable marriage problem

译名：以“稳定婚姻问题”解释微生物菌群的多种稳态

期刊：ISME Journal

IF₂₀₂₀：9.493

发表时间：2018.7

通讯作者：Sergei Maslov

通讯作者单位：伊利诺伊大学香槟分校