空间结构化蓝藻群落中生态位形成与代谢互作驱动稳定多样性的机制研究

本研究针对微生物群落组成多样性维持机制这一生态学核心问题，以毫米级颗粒结构的蓝藻富集群落为模型，通过长达一年的传代培养结合多组学分析，揭示了空间组织、微环境生态位形成和代谢互作对17种细菌稳定共存的贡献。研究发现蓝藻分泌的胞外多糖（slime）和维生素B7等代谢物交换构成营养网络，而颗粒内部形成的氧梯度（anoxic core）为厌氧功能（如anoxygenic photosynthesis）提供微生境。该成果为理解复杂微生物生态系统的自组织原则提供了新视角，论文发表于《The ISME Journal》。

　　

微生物群落如何维持稳定的物种多样性是生态学领域的核心难题。尽管已有研究表明代谢互作和空间组织可能影响多样性，但这些因素在复杂群落中的作用机制尚不明确。尤其缺乏对具有空间结构的自然群落中物种共存机制的实验验证。更关键的是，现有实验室模型多局限于均质环境中的单一或双物种互作，难以反映真实生态系统中多物种共存的动态过程。

英国华威大学的研究团队通过建立淡水蓝藻富集群落模型，首次在实验室条件下重现了毫米级颗粒结构的自发形成过程。这项历时一年、涉及20余次传代的研究发现，在无外源碳的培养基中，该群落能稳定维持17个物种（分属蓝藻门、放线菌门和变形菌门）的共存。相关成果以《Niche formation and metabolic interactions contribute to stable diversity in a spatially structured cyanobacterial community》为题发表于《The ISME Journal》。

研究采用宏基因组测序（Illumina/PacBio HiFi）解析群落组成，结合气相色谱-质谱（GC-MS）分析胞外多糖组分，通过微电极测量氧梯度，并运用宏转录组验证功能基因表达。分离培养关键物种进行维生素交换实验，设置葡萄糖添加、震荡培养等扰动实验评估群落稳定性。

【群落组成与稳定性】宏基因组分析揭示该群落以新型丝状蓝藻Fluctiforma draycotensis（拟命名）为核心，伴随16种异养菌。STRONG分析检测到Allorhizobium等属存在稳定共存的菌株变异。长达一年的传代培养显示物种覆盖度（coverage/Gbp）保持稳定（Shannon指数1.40-2.06），证实了群落的时间稳定性。

【碳交换机制】蓝藻分泌的胞外多糖（含半乳糖/葡萄糖组分）被鉴定为关键碳源。基因组分析显示所有物种均携带多糖降解酶基因（如GH家族），其中Microbacterium maritypicum和Allorhizobium rhizophilum富含半乳糖特异性基因。分离菌株实验证实其能利用蓝藻粘液组分生长。添加葡萄糖的扰动实验导致异养菌丰度显著上升（如Sphingomonas leidyi增加48.4倍），而蓝藻下降5434.3倍，证实碳限制对群落结构的调控作用。

【维生素交换网络】维生素通路分析显示Pseudomonas_E composti具有最完整的合成途径（含6种维生素），特别是生物素（B7）通路完全。共培养实验证明其分泌的B7能挽救A. rhizophilum的生长缺陷（9.6倍差异）。去除维生素的长期培养仅引起物种丰度轻微波动（<2.3倍），证实了群落内维生素共享的稳定性。

【空间结构与功能分化】微电极测量显示颗粒内部存在陡峭氧梯度（anoxic core），宏转录组检测到SOX复合体等厌氧功能基因表达。显微观察发现蓝藻分布于颗粒外围，而异养菌富集于缺氧核心。震荡培养破坏结构后，5种厌氧光养菌（如Gemmobacter_C）丰度下降4.1-6.6倍，证实空间结构对功能分化的维持作用。

该研究首次在实验室构建出能自发形成空间结构的蓝藻-异养菌生态系统，通过多组学整合与实验验证，阐明代谢互作（碳/维生素交换）与微环境分化（氧梯度）共同维持群落多样性的机制。这不仅为微生物生态学理论提供了实证案例，其培养体系更为研究复杂群落的涌现特性提供了可控模型。发现的Fluctiforma draycotensis新分类单元和稳定共存的菌株变异，为微生物进化研究提供了新材料。技术方法上，将微尺度氧测量与宏组学结合的创新策略，为解析其他空间结构化群落（如生物膜、颗粒污泥）树立了范式。