窄谱资源利用细菌通过增强代谢互作驱动合成菌群的稳定性

本研究针对植物根际微生物组功能不稳定的难题，通过筛选6株功能互补的植物促生菌株，结合基因组尺度代谢模型(GMM)分析，首次揭示了窄谱资源利用(NSR)菌株通过降低代谢资源重叠(MRO)和提升代谢互作潜能(MIP)增强群落稳定性的机制。研究构建的SynCom4/5菌群在番茄根际实现80%以上的促生效果，为设计稳定多功能合成菌群提供了新范式。

　　

微生物在自然界中形成复杂的共生网络，承担着养分循环、病害抑制等重要生态功能。然而在农业应用中，单一菌剂常因环境适应性问题导致效果不稳定。这背后隐藏着两个关键科学问题：如何解析微生物群落的互作机制？怎样设计兼具功能性和稳定性的合成菌群？

为解决这些问题，中国的研究团队在《Nature Communications》发表创新性研究。他们选取6株具有固氮、溶磷等差异化功能的根际细菌（包括Cellulosimicrobium cellulans E和Pseudomonas stutzeri G等），通过表型芯片分析58种根际碳源利用谱，结合基因组尺度代谢模型(GMM)模拟57种群落组合的代谢互作潜能(MIP)和代谢资源重叠(MRO)。研究发现窄谱资源利用(NSR)菌株能显著提升MIP（R²=0.49）并降低MRO（R²=0.35），其中C. cellulans E和P. stutzeri G通过分泌天冬酰胺、维生素B₁₂等代谢物成为群落"枢纽"。基于此构建的SynCom4/5在番茄根际保持60小时稳定定殖，使植株生物量增加80%以上。

研究主要采用四项关键技术：1) Biolog表型芯片分析58种碳源代谢谱；2) CarveMe构建基因组尺度代谢模型(GMM)并用SMETANA模拟群落互作；3) 高通量非靶向代谢组学检测5600+代谢物；4) qPCR追踪根际菌群动态。

候选菌株的功能评估
六株菌在固氮（最高3517 nmol C₂H₄·h^-1·mg^-1）、溶磷（最高46.39 mg·L^-1）、IAA合成（最高66.08 mg·L^-1）等功能上呈现互补特征。

窄谱资源利用菌促进群落合作
C. cellulans E的资源利用宽度最低（13.10），其参与的群落MIP值达1.53，显著高于广谱菌株（0.6）。代谢模型预测其通过分泌维生素B₁₂前体等物质支持群落。

NSR菌的普适性规律
对224株叶际菌的分析显示，资源利用宽度与MIP负相关（R²=0.27），与MRO正相关（R²=0.39），且系统发育距离越远相关性越强。

稳定菌群的构建验证
SynCom4（含C. cellulans E）和SynCom5（含P. stutzeri G）在根际保持10⁵ CFU·g^-1达60小时，剔除核心菌株导致其他成员丰度下降100倍。代谢组证实维生素B₁₂和异亮氨酸是关键互作介质。

植物促生效果
SynCom4使番茄株高和干重分别增加58.6%和85.6%，显著优于单一菌株处理。

该研究建立了"资源利用宽度-代谢互作-群落稳定性"的理论框架，突破了合成菌群设计中功能与稳定性难以兼得的瓶颈。提出的GMM指导策略可推广至肠道微生物组等领域，为微生物组工程提供了方法论创新。研究同时揭示氨基酸衍生物（如维生素B₁₂）在非绝对营养缺陷型群落中的新型互作模式，丰富了微生物生态学理论。