编辑推荐：
为探究多物种群落特有属性机制，研究人员以土壤分离的 4 种细菌（解淀粉类芽孢杆菌、氧化微杆菌、根际寡养单胞菌、嗜麦芽寡养单胞菌）为模型，分析全基因组并开展表型实验。发现其具种间通讯、生物膜形成等基因，多物种共培养展现单菌未有的生长和酶活性，为微生物生态和应用提供依据。
在微生物的世界里，细菌很少单独行动，而是常常以多物种生物膜的形式存在。这些由多种细菌组成的结构化群落，通过复杂的相互作用展现出单个菌种无法具备的独特功能，如更强的环境适应能力、代谢协同性和抗逆性等。然而，目前对于多物种群落中这些集体功能产生的分子机制，尤其是基因型与表型之间的关联，仍存在诸多未知。例如，为何某些代谢能力或抗逆特性仅在多物种共存时才会显现？不同菌种之间如何通过基因表达调控实现协同作用？这些问题不仅是微生物生态学的核心科学问题，也制约着微生物在农业、工业和环境治理等领域的应用潜力。
为了揭开多物种群落功能协同的神秘面纱，来自国外研究机构的研究人员聚焦于一个从土壤中分离的四物种细菌群落展开深入研究。该群落由解淀粉类芽孢杆菌（Paenibacillus amylolyticus）、氧化微杆菌（Microbacterium oxydans）、根际寡养单胞菌（Stenotrophomonas rhizophila）和嗜麦芽寡养单胞菌（Stenotrophomonas maltophilia）组成，前期研究已发现其在体外具有显著的协同生物膜形成能力，并有潜力应用于农业抗旱、废弃物降解等领域。研究团队希望通过整合基因组学和表型分析，系统解析该群落的功能基础与互作机制。相关研究成果发表在《Biofilm》杂志。
研究人员主要采用了以下关键技术方法：首先利用纳米孔（Nanopore）长读长测序结合 Illumina 短读长测序技术，完成了四个菌株的全基因组组装与注释；通过生物信息学工具（如 PGAP、antiSMASH、SOCfinder 等）分析基因功能，重点关注种间通讯、生物膜形成、次级代谢、抗生素抗性及代谢相关基因；利用 BIOLOG 微平板进行碳源利用表型分析，并通过 AZCL（azurine-cross-linked）底物实验检测酶活性；此外，还通过抗生素药敏实验和基因组比较分析探讨群落的抗逆机制与种间差异。
基因组特征与系统发育分析
四个菌株的基因组大小差异显著，其中解淀粉类芽孢杆菌基因组最大（7,329,239 bp），嗜麦芽寡养单胞菌次之（4,680,266 bp）。系统发育树显示，两个寡养单胞菌属菌株亲缘关系较近，而氧化微杆菌作为放线菌门成员相对独立。功能注释表明，代谢相关基因在各菌株中占比最大，同时均含有双组分系统、群体感应（QS）相关基因（如luxS同源基因），提示种间信号传递的潜力。值得注意的是，解淀粉类芽孢杆菌携带 16 个次级代谢物生物合成基因簇，显著多于其他菌株，可能在群落中扮演 “公共 goods” 提供者的角色，如产生铁载体促进群体铁获取。
生物膜形成的分子基础
研究发现，四菌株均具备鞭毛组装、膜转运等生物膜相关基因。尽管氧化微杆菌自身无法形成生物膜，但其携带的群体感应基因数量最多，可能通过分泌信号分子调节其他菌种的行为。寡养单胞菌属菌株含有 Fap 淀粉样蛋白基因和纤维素合成基因，而解淀粉类芽孢杆菌则具备透明质酸等多糖合成能力。有趣的是，虽然嗜麦芽寡养单胞菌作为单菌时生物膜形成能力最强，但其编码的生物膜基质蛋白基因数量却最少，暗示其可能依赖特定多糖（如纤维素）而非蛋白基质。
社会基因与抗生素抗性
利用 SOCfinder 工具鉴定 “社会基因”，解淀粉类芽孢杆菌的社会基因总数最高，涉及分泌蛋白、合作功能和次级代谢。抗生素抗性分析显示，四菌株均携带外排泵基因，其中寡养单胞菌属菌株的 β- 内酰胺酶基因表达使其对阿莫西林具抗性，但克拉维酸可逆转这一抗性。解淀粉类芽孢杆菌对链霉素的高度抗性则与其携带的多重外排泵（如 ykkCD）相关。这些结果表明，群落成员可通过基因共享或代谢协作增强整体抗逆性。
代谢协同与生态位扩展
BIOLOG 实验显示，四物种群落可利用单菌无法代谢的 D - 丝氨酸和甲酸，并在 20 种碳源上表现出更高的生长效率，揭示了交叉 feeding 现象。基因组中均存在多种异生物质（xenobiotic）降解通路，包括林丹、双酚 A、苯甲酸盐等环境污染物的代谢途径，暗示其在生物修复中的应用潜力。酶活性实验进一步发现，纤维素和凝胶多糖的降解仅在多物种共培养时发生，解淀粉类芽孢杆菌的内切葡聚糖酶与寡养单胞菌的葡聚糖酶协同作用是关键，表明代谢功能的实现依赖种间基因产物的协同表达。
研究结论与意义
本研究通过 “自下而上” 的基因组 - 表型整合分析，首次系统解析了一个具有工业与农业应用潜力的四物种细菌群落的功能基础。研究证实，群落的协同性源于种间通讯、代谢互补、基质共享等多重机制，例如群体感应介导的行为同步、次级代谢物的公共利用以及酶活性的协同增强。这些发现不仅为微生物生态学中多物种互作理论提供了新证据，也为设计合成微生物群落（SynComs）用于生物修复、生物肥料开发等领域奠定了基础。例如，该群落对多种异生物质的降解能力可用于环境污染治理，其增强的生物膜形成能力可提升植物根系定植效率以促进抗旱。未来研究可进一步结合空间代谢组学和动态建模，深入解析群落互作的时空规律，推动其在复杂生态系统中的实际应用。
