酸胁迫下生长缓慢物种通过交叉喂养促进种间合作与共存

《Nature Communications》：Slower-growing species promote interspecific cooperation and coexistence under acid stress through cross-feeding

在酸胁迫如何影响微生物群落的生理代谢响应和种间互作尚不清楚的背景下，研究人员通过构建乳酸扩散诱导的酸胁迫变化系统，结合生理学、代谢组学和数学模型，揭示了生长缓慢物种在高压下通过分泌丙酮酸、谷氨酸和天冬氨酸等公共物品，促进种间交叉喂养，驱动微生物群落从竞争转向合作，增强群落恢复力和共存能力。该研究为理解环境酸化下微生物群落稳定性维持机制提供了新视角。

　　

在全球酸化加剧的背景下，酸胁迫已成为影响微生物群落结构和功能的关键环境因子。从土壤、海洋到发酵食品和动物肠道，酸性环境普遍存在，但微生物群落如何通过生理和代谢响应来适应动态变化的酸胁迫，特别是种间互作关系如何随之演变，仍是微生物生态学领域的重大挑战。传统研究多关注竞争性相互作用，而对酸胁迫下微生物合作机制的认识仍存在空白。发表于《Nature Communications》的这项研究，通过创新性地构建空间结构化实验系统，揭示了酸胁迫梯度下微生物群落动态互作的新规律。

本研究主要运用了以下关键技术方法：1）通过乳酸扩散模型构建动态酸胁迫系统；2）利用荧光蛋白标记和单细胞荧光显微镜技术定量分析多物种群落空间动态；3）采用高效液相色谱（HPLC）监测代谢物动态变化；4）结合非靶向代谢组学分析代谢谱；5）建立资源-消费者数学模型解析生理过程。实验菌株主要来源于发酵辣椒和肠道分离株。

空间效应对生物量的影响

研究人员首先构建了乳酸扩散诱导的酸胁迫系统，发现乳酸生产者LM释放的乳酸在琼脂平板中呈现时空扩散特征。通过将不同竞争菌株接种在距离LM不同位置（0.5-4.5厘米），观察到所有菌株都受到LM抑制，且生物量呈现空间距离依赖性响应。荧光标记实验显示，在混合接种时，快速生长的A01竞争性抑制LM，但在空间分离接种时，乳酸胁迫导致竞争等级反转，LM占据优势。这种位置依赖性效应主要由乳酸扩散诱导的胁迫变化所决定。

生长-耐受权衡驱动群落演替和互作动态

通过构建包含LM、A01和B01的三元微生物群落，研究人员发现在空间拐点λx（2.5厘米）处，微生物群落的空间范围扩张行为发生翻转。耐受性强但生长缓慢的A01在短距离（<2.5厘米）凭借耐受优势占据主导，而耐受性差但快速生长的B01在长距离（>2.5厘米）依靠生长优势占优。这种生长-耐受权衡模式在四元群落（加入入侵菌EH1）中同样存在，且维持生物量比率R在1.0±0.5范围内对种群共存至关重要。

胁迫强度驱动微生物群落从竞争转向合作

在λx距离处进行时间序列监测发现，随着乳酸胁迫强度增加（从68.8 mM到98.2 mM），A01和B01的互作关系发生显著转变。在胁迫较低时（<68.8 mM），种间以竞争为主；而当胁迫增强（>98.2 mM）时，合作互作占据主导。特别在30-33小时的高胁迫阶段，共培养中B01的生物量显著增加，而单一培养中则衰减，表明高酸胁迫促进了种间合作。

缓慢生长物种A01的代谢排泄促进B01再生和种间共存

代谢分析显示，在高乳酸条件下，生长缓慢的A01主动将葡萄糖转化为丙酮酸、谷氨酸和天冬氨酸等公共物品并排泄到胞外。这些代谢物在30小时积累到高浓度，随后在B01再生阶段被消耗。补充实验证实，B01能在100 mM乳酸酸化培养基中生长仅当存在这些公共物品时。抑制剂实验进一步验证了公共物品排泄和交叉喂养对B01再生的重要性。

乳酸胁迫诱导交叉喂养和共存的生理过程与机制

研究人员提出机制模型：在酸胁迫下，A01通过增加糖酵解通量进行能量生物合成，同时将TCA中间体作为公共物品排泄到胞外以缓解细胞内通量压力；B01则利用这些排泄物生长，进而促进A01糖酵解通量的增加，形成双向互惠互作。ATP含量检测显示，共培养中A01的细胞内ATP含量显著高于单一培养，表明B01对公共物品的消耗确实促进了A01的代谢活性。

交叉喂养和共存的数学模型

基于资源-消费者框架构建的动态模型成功捕捉了共培养群体的四个生理过程：对数生长期、酸化诱导稳定期、协同抗酸耐受期和再生期。模型定量描述了不同阶段物种优势的差异变化，这些由不同生理状态相互作用产生的阶段是维持两物种共存的关键因素。

细菌与真菌间酸胁迫诱导交叉喂养和共存的相似性

为验证胁迫诱导交叉喂养的普适性，研究人员选择了来自肠道的乳酸菌（LJ9）和酵母菌（SY2-7）进行配对实验。结果表明，尽管系统发育关系较远，但在高乳酸胁迫下，缓慢生长的SY2-7同样排泄公共物品，促进快速生长的LJ9再生，这种互作模式在葡萄糖和蔗糖作为碳源时均存在，证实了胁迫诱导交叉喂养在不同物种间的普遍性。

研究结论与讨论部分强调，酸胁迫动态调节了竞争性和合作性相互作用，生长缓慢物种在增加的酸胁迫下更受青睐，其公共物品排泄导致交叉喂养、种间合作和共存。这种基于表型互补的协同机制可能在多种具有互补生长率的物种间广泛存在。该研究不仅揭示了微生物群落响应环境胁迫的新机制，也为理解和设计稳健、有弹性的微生物群落提供了理论基础，在环境修复、工业发酵和肠道健康等领域具有重要应用价值。