【原】【LorMe周刊】代谢模型预测木质素降解菌群中菌群互作

作者：胡一超，南京农业大学硕士在读，主要研究根际菌群代谢互作。

周刊主要展示优秀周报，每周定期为您奉上学术盛宴！本期周刊为您介绍代谢模型预测木质素降解菌群中菌群互作，原文于2025年1月20日发表在《Nature Communications》上。

     导 读     

微生物群落在复杂聚合物的降解中发挥着关键作用，然而非降解菌在群落中的功能及其互作机制仍不明确。本研究通过“自上而下”富集法构建了以Pluralibacter gergoviae为主的沿海木质素降解菌群（LD），发现尽管该菌占群落总丰度的98%以上，但其单独培养时的生长和木质素降解效率显著低于完整菌群。通过基因组规模代谢模型（GSMM）分析、代谢组学及合成菌群实验，研究揭示了低丰度非降解菌通过交叉喂养，与P. gergoviae形成互利关系，促进菌群整体性能。由降解菌与三种非降解菌组成的四菌合成群落在木质素降解效率和生物量积累上较单菌培养提升2倍以上。该研究不仅揭示了非降解菌在木质素降解中的关键作用，还为设计高效合成菌群以实现木质素资源化利用提供了理论依据。

     主要结果    

1. 低丰度非降解菌对沿海木质素降解菌群（LD）的协同作用

本研究通过“自上而下”法构建了以Pluralibacter gergoviae（占比>98%）为核心的沿海木质素降解菌群（LD）。尽管非降解菌（如Vibrio alginolyticus、Aeromonas hydrophila和Shewanella putrefaciens）丰度极低（总计约2%），但LD菌群在生长速度（4.46×10⁸ 个/mL）和木质素降解率（8.53%）上显著优于P. gergoviae单培养（图1A, B）。代谢组分析显示，LD菌群积累的总溶解有机碳（tDOC）中木质素衍生物（如酚类、脂肪族酸）显著增加（图1C和S2B），表明非降解菌通过代谢互作促进木质素转化。

图1：木质素长期富集下LD群落的细胞生长、木质素降解和群落组成。A： LD群落的木质素降解和细胞生长随时间的变化（T1至T41）。B：LD聚生体在T41的生长曲线和木质素降解量。 C： LD联合体与空白对照在木质素降解过程中溶解性有机碳（DOC）的积累。D：基于16S rRNA基因扩增子测序的群落组成（T41）。

2. 单培养与共培养性能差异检测

单培养实验表明，P. gergoviae是唯一能降解木质素的菌株（2.18%降解率），而三种非降解菌在木质素-MB培养基中无法独立生长（图2A, C）。然而，四菌共培养（PVAS组合）的细胞密度较单培养提高2倍，木质素降解率提升至3.39%（图4B），且非降解菌在共培养中存活率显著提高（图2B）。代谢物分析显示，P. gergoviae分泌琥珀酸、苹果酸等碳源支持非降解菌生长，后者则提供甘油、天冬氨酸等促进 P. gergoviae代谢（图3B, D）。

图2：四种菌株在单培养与LD群落共培养中的生长差异。A：P. gergoviae、V. alginolyticus、A. hydrophila和S. putrefaciens的单培养生长曲线（初始接种量107个/mL）。B：四种菌株在单培养与共培养（LD）中的细胞生长比较。P. gergoviae初始接种量为107个/mL，其余三种为103个/mL。C：单培养与LD共培养的细胞生长及木质素降解对比。

3. 基因组尺度代谢模型（GSMM）揭示代谢互作机制

通过构建四菌的GSMM模型（表1）及通量平衡分析（pFBA和dFBA），预测了菌群间氨基酸、有机酸和醇类的交叉喂养（图3A, B）。四菌组合的模拟总生物量最高，且亚群比例（100:1）对协同效应至关重要（图3C）。实验验证显示，补充预测代谢物（如甘油、天冬氨酸）可显著提升单培养菌株的生长（图4D），而代谢谱分析证实共培养中琥珀酸、苹果酸等关键代谢物的积累（图4C）。

图3：种间相互作用的代谢模型分析A：单菌代谢模型与群落代谢网络整合的模拟策略。B：通过单菌通量平衡分析预测的代谢交换通量。代谢差异集中于木质素衍生物、有机酸、氨基酸及醇类。C：模拟生长性能：上图为pFBA预测的七种多菌组合总生物量；下图为dFBA模拟的四菌组合（PVAS）随时间生物量变化。D：四菌组合的预测代谢交换通量。

4. 亚群比例对菌群稳定性的影响

动态通量分析（dFBA）表明，当非降解菌初始接种量过高（与降解菌比例接近100:100）时，菌群生长受抑制（图S7），符合“雪堆博弈”理论。实验验证显示，非降解菌比例失衡会导致协同作用丧失，进一步支持代谢互作依赖特定亚群平衡（图4A）。

5. 合成菌群的构建与应用潜力

通过“自下而上”设计四菌合成菌群（PVAS），其性能接近天然LD菌群，为木质素生物转化提供了可调控的模型（图4B）。代谢组分析发现共培养中特有的218种代谢物（如芳香醇类），可能通过群体感应信号稳定菌群协作（图S10）。

图4：通过培养生长与代谢谱验证种间相互作用A：四菌共培养系统中各菌株的细胞生长。B：P. gergoviae单培养、四菌共培养（PVAS）及LD群落的生长与木质素降解对比。C：四菌共培养（PVAS）与缺失单一非降解菌的三菌组合的代谢谱比较。D：补充预测交换代谢物对单培养菌株生长的影响。EM1-EM4分别为各菌补充的代谢物，GEM为P. gergoviae自身分泌代谢物。

   结 论   

低丰度非降解菌通过代谢交叉喂养（琥珀酸、甘油等）与 P. gergoviae 形成互惠关系，显著提升菌群整体性能。亚群比例和代谢互作网络是维持协同效应的关键，为合成菌群的设计及木质素高效降解提供了理论依据。

论文信息

原名：Modeling bacterial interactions uncovers the importance of outliers in the coastal lignin-degrading consortium

译名：模拟细菌相互作用揭示沿海木质素降解菌群中非降解菌的关键作用

期刊：Nature Communications

DOI：10.1038/s41467-025-56012-8

发表时间：2025年1月

通讯作者：Lu Lin

通讯作者单位：中国山东大学海洋科学与技术研究所；中国农业科学院深圳农业基因组研究所/岭南现代农业科学与技术广东省实验室