共进化强化合成微生物群落的入侵抵抗：从两物种模型到生态稳定性启示

《Microbial Ecology》：Evolution of One Species Increases Resistance to Invasion in a Simple Synthetic Community

本刊推荐：针对合成微生物群落应用中的定植稳定性难题，研究人员通过大肠杆菌（E. coli）与酿酒酵母（S. cerevisiae）的长期共进化实验（0/1000/4000代），结合12种细菌入侵挑战，发现共进化通过降低物种间资源竞争强度（如酵母对E. coli消耗资源的适应性转变），使E. coli成为弱势酵母的“保护盾”，显著提升群落抗入侵能力。该研究为设计稳定功能型合成群落提供了进化生态学视角。

　　

在微生物生态学领域，合成微生物群落的设计正成为调控宿主健康与生态系统功能的新兴策略。然而，外源引入的合成群落常因无法抵抗本地微生物的竞争而失效，如何提升其定植稳定性成为关键挑战。传统研究多聚焦于物种功能的组合优化，却忽略了进化历史对群落稳定性的深层影响。发表于《Microbial Ecology》的最新研究通过一项长达4000代的实验进化，揭示了一个反直觉的生态现象：物种间的长期共进化竟能通过强化“保护效应”，使弱势物种在入侵压力下绝处逢生。

为探究共进化如何重塑群落稳定性，研究团队以大肠杆菌（Escherichia coli, E. coli）和酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）构建简化合成群落，分别选取共进化0代（祖先株）、1000代和4000代的菌株组合。通过流动细胞术（flow cytometry）和选择性平板计数（selective plating）动态监测群落组成，结合耗竭培养基（spent media）实验量化物种间资源利用重叠度。进一步利用频率依赖性Lotka-Volterra模型（frequency-dependent Lotka-Volterra model）模拟三物种竞争动态，并通过系统发育分析（16S rRNA基因序列比对）明确入侵菌株（含5种病原菌的12个菌株）的进化关系。

E. coli和酵母形成生态稳定的两物种群落

共进化显著改变了两物种的平衡比例：祖先群落中E. coli占比35-55%，而进化4000代后稳定至85-95%。绝对种群数量分析显示，E. coli数量始终为酵母的10倍以上，为后续入侵实验奠定基础。

酵母进化出与E. coli差异化的资源利用策略

耗竭培养基实验表明，4000代共进化后的酵母在E. coli耗竭培养基中的生长与新鲜培养基无显著差异（p=0.06），暗示其进化出与E. coli互补的资源利用模式。相反，所有E. coli菌株在酵母耗竭培养基中生长均受抑制（p<0.001），可能源于酵母的代谢抑制物分泌或资源抢占。

E. coli而非酵母进化出更强的抗入侵能力

在两物种竞争实验中，4000代E. coli可排斥9/12的入侵菌株，而祖先E. coli仅能维持8/11的共存。酵母在所有配对中均无法排斥入侵者，但其共存率较高。单菌生长速率（growth rate）无法预测竞争结局（Spearman检验无显著相关性），凸显直接相互作用的重要性。

共进化E. coli-酵母组合排斥可单独战胜酵母的竞争者

三物种竞争中出现关键悖论：尽管铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa）在双物种竞争中可排斥4000代酵母，但当与共进化E. coli-酵母组合共存时，入侵菌反而被排斥，酵母得以存续。此类“保护效应”在4000代群落中尤为显著（11/12入侵者被排斥），且无法通过双物种相互作用直接预测（22%案例偏离预期）。

E. coli与入侵者的强相互作用解释酵母的意外存续

模型模拟表明，当E. coli对入侵者的竞争效应（α_be）超过2时，入侵者种群迅速崩溃，使其无法对酵母产生有效竞争压力。共进化通过降低E. coli与酵母间的相互作用系数（α_YE），同时增强E. coli对入侵者的压制力，从而在资源竞争框架下实现“弱者的庇护”。

本研究通过实验进化与生态建模的融合，证明长期共进化可赋予合成群落“生态免疫记忆”：优势物种通过资源竞争屏蔽机制，间接保护功能型弱势物种免于入侵者置换。这一发现突破了“两物种相互作用可预测多物种结局”的传统认知，为设计抗入侵的合成群落提供了新范式——定向进化（directed evolution）而非单纯物种筛选，或许是实现微生物群落长期稳定的关键路径。