微生物介导的生物入侵理论框架：从寄生到互作的生态动力学解析

《Biological Invasions》：Towards a theory of microbially-mediated invasion encompassing parasitism and mutualism

本研究针对生物入侵中多物种互作机制的理论空白，构建了一个基于消费者-资源模型的微分方程框架，整合了宿主-微生物的互作（包括寄生与互利关系）、种间竞争及资源交换动态。通过分析7种宿主-微生物互作情景，揭示了微生物如何通过“共生体溢出”“共生体回馈”等途径促进或抑制宿主入侵、微生物入侵及协同入侵。该研究为理解微生物在入侵生态学中的调控作用提供了机制性工具，推动了多物种互作视角下的入侵理论发展。

　　

生物入侵长期以来被视为单一物种的生态过程，但近年研究发现，微生物群落作为宿主的关键共生伙伴，能通过互利或寄生关系显著影响入侵结局。例如，入侵植物可能借助土壤中的本地微生物网络加速定殖，或通过携带病原体削弱本地竞争者。然而，现有理论多聚焦于宿主或微生物的单方面作用，缺乏对多物种动态互作的系统性描述。为此，Maria M. Martignoni等人在《Biological Invasions》发表研究，构建了一个涵盖寄生与互利关系的微生物介导入侵理论框架。

研究团队基于消费者-资源模型，建立了包含本地与入侵宿主（p_n、p_i）及其对应微生物群落（m_n、m_i）的微分方程系统。模型通过参数α（微生物向宿主资源输送）和β（宿主向微生物资源输送）量化互作强度，并引入密度依赖函数模拟资源交换饱和效应。关键方法包括：（1）定义宿主-微生物互作类型（互利、寄生或偏利）的数学判据；（2）分析7种典型互作情景下种群动态；（3）通过数值模拟验证理论预测。

模型框架与互作类型划分

研究通过比较资源交换效率参数（Q_p和Q_m）将宿主-微生物互作划分为三类：当Q_p>0且Q_m>0时为互利；当Q_p<0时为宿主寄生型；当Q_m<0时为微生物寄生型。这一划分为解析多物种互作提供了定量基础。

情景分析：微生物如何调控入侵结局

研究系统分析了7种互作情景的入侵动态：

1. 1.
   无共生体共享（情景①）：竞争排除主导，高适应性或初始种群优势决定胜负。
2. 2.
   入侵宿主与本地微生物互利（情景②）：本地微生物增强入侵宿主竞争力，可能导致本地宿主被排除，并触发微生物替代（如入侵微生物被本地微生物压制）。
3. 3.
   本地宿主与入侵微生物互利（情景③）：入侵微生物通过关联本地宿主获得优势，可能削弱本地微生物并促进入侵宿主定殖。
4. 4.
   本地微生物寄生入侵宿主（情景④）：本地病原体抑制入侵宿主，提供生物抵抗。
5. 5.
   入侵宿主寄生本地微生物（情景⑤）：入侵宿主剥削本地微生物资源，间接危害本地宿主。
6. 6.
   入侵微生物寄生本地宿主（情景⑥）：协同入侵病原体削弱本地宿主，促进入侵。
7. 7.
   本地宿主寄生入侵微生物（情景⑦）：本地宿主剥削入侵微生物，阻碍其建立。

复合情景与生态系统级效应

当多种互作同时发生（如入侵宿主既利用本地互利微生物又传播寄生微生物），入侵风险显著增加。例如，入侵宿主通过“低质量互利”策略（少量资源交换获取高收益）剥削本地微生物网络，可能导致群落总生物量下降，长期影响生态系统功能。

结论与意义

该研究首次将宿主-微生物互作的连续谱（寄生-互利）纳入入侵动力学模型，揭示了微生物通过“生态拟合”（ecological fitting）、“疾病介导入侵”（disease-mediated invasion）等途径驱动入侵成败的机制。框架强调入侵结局不仅取决于互作强度，还受互作方向性（如宿主→微生物 vs. 微生物→宿主）及群落结构调控。这一理论为预测入侵风险、设计微生物调控策略提供了新思路，并呼吁在入侵生态学中整合多物种互作网络分析。