多樣化菌群共存現象有了新解釋

　　近日，中國科學院深圳先進技術研究院合成生物學研究所副研究員王騰團隊在《自然—通訊》發表研究成果。該研究從理論上揭示了微生物群落中廣泛存在的水平基因流動可以幫助競爭性微生物群體突破物種多樣性“極限”，促進群落的物種多樣性在環境擾動下的穩定維持。

　　生命系統普遍服從“優勝劣汰，適者生存”的基本規律，而微生物生態系統里卻經常擁有大量既相互競爭又穩定共存的物種。如何解釋這一看似悖論的現象，是微生物生態學的一項重大難題。理解競爭性群體中物種多樣性涌現和維持的機制，對于復雜微生物群落的定向改造和理性設計至關重要。

　　基于以上背景，王騰團隊首先建立了復雜菌群中物種互作和基因流動的時空動力學模型。首先通過對雙物種競爭體系的數學分析，推導出了物種共存概率的解析解，發現提高基因流動速率可以大大拓展物種穩定共存的相空間。

　　通過在高維參數空間內的隨機化，王騰團隊進一步計算了復雜群體中競爭性物種共存概率隨物種數量的變化曲線。研究發現，無基因流動時，物種共存概率很快衰減為0，標志著物種多樣性的“極限”。在這一極限之上，群體無法維持所有物種的穩定共存，必會有物種被淘汰，使得多樣性恢復至這一理論極限之下。而基因流動可以顯著減緩物種共存概率的衰減速度，使得大量微生物群落可以在經典理論預言的“極限”之上穩定存在。

　　此外，團隊還在菌群模型中引入了環境擾動，并模擬了復雜微生物生態系統在不確定環境中多樣性的變遷。基于這些發現，團隊提出微生物生態系統“動態中性”的全新概念，即與傳統的“中性假說”相比，動態的基因流動可以為環境擾動下的群體結構提供“有效緩沖”。這一概念是對微生物生態學理論“大廈”的有力補充，為如何構建多樣化菌群提供了理論基礎。

　　相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41467-024-45154-w