人类肠道细菌系统性共培养揭示负相互作用主导的生态网络及其对宿主健康的影响

本研究通过大规模体外共培养实验（3233对组合），首次系统揭示人类肠道细菌间以竞争（35.4%）和拮抗（23.9%）为主的负相互作用模式，结合宏基因组数据发现高丰度菌株更易发生竞争。关键发现代谢能力（MGCs）和运动性（flagella）是驱动互作模式的核心因素，为微生物群落稳定性调控提供新视角。

　　

人体肠道是一个由数千种微生物组成的复杂生态系统，这些微小生命通过精密的相互作用网络共同维持宿主的健康平衡。然而，这个微观世界的运行规则始终充满谜团——细菌之间究竟如何相处？是合作共赢还是竞争压制？现有研究因样本量小（通常不足20株菌）或依赖计算机模拟，导致结论相互矛盾：有的宣称竞争主导（Foster et al.），有的则认为互利更普遍（Kehe et al.）。这种认知鸿沟严重阻碍了我们对肠道菌群稳定机制的理解，也限制了精准调控微生物群落治疗疾病的可能。

中国科学院微生物研究所（Institute of Microbiology, Chinese Academy of Sciences）的科研团队在《Microbiome》发表的重要研究，通过创纪录的大规模实验揭开了这一谜题。研究人员从健康中国志愿者粪便中精选113株代表性菌株（覆盖97个物种），在模拟肠道环境的mGAM培养基上完成3233对共培养实验，构建名为"PairInteraX"的互作数据库。结合中国（PRJNA835720）及国际队列（如瑞典PRJEB1786）的宏基因组数据，采用基因组注释（Prokka）、代谢通路预测（gutSMASH）和系统发育分析（GTDB-Tk）等技术，首次绘制出肠道细菌相互作用的真实图谱。

负相互作用主导肠道菌群
实验数据颠覆传统认知：69.7%的互作呈现负面性质，其中竞争（35.4%）和拮抗（23.9%）最为突出，远高于互惠共生（13.5%）。这种模式在宏基因组中得到印证——高丰度菌种间竞争强度随丰度增加而升高（p<0.001），而互惠菌种往往处于低丰度状态。研究提出"丰度约束"理论：负相互作用如同生态刹车，防止单一物种过度扩张，从而维持群落多样性（Shannon指数分析显示p<0.001）。

进化距离决定互作性质
系统发育分析揭示有趣规律：亲缘关系较远的菌株（如变形菌门与厚壁菌门）更易发生竞争（Wilcoxon检验p<0.01），而同门菌株则倾向中性共存。特别的是，放线菌门表现出"同门相斥"的独特模式——门内竞争强度反而高于门间互作（χ2检验p<0.05）。通过目标群体指数（TGI）分析，发现放线菌与拟杆菌门倾向于 exploitation（掠夺性互作），而变形菌与厚壁菌门则多呈现 commensalism（偏利共生）。

代谢与运动性是核心驱动因素
多变量分析（RDA）显示，代谢基因簇（MGCs）数量和运动性（flagella）分别解释互作模式46.6%和45.3%的变异。拥有丰富MGCs的菌株更易建立正向关系（如双歧杆菌），其平均MGCs数量（12.3）显著高于竞争型菌株（8.7，p<0.001）。鞭毛的存在使细菌获得空间竞争优势——双鞭毛菌株的正面互作概率比无鞭毛菌株高2.1倍（χ2检验p<0.01），这可能是其规避资源竞争的重要策略。

这项研究首次通过实验证实负相互作用是维持肠道菌群平衡的关键力量，其提出的"丰度-互作"调控模型为理解克罗恩病等菌群失调疾病提供新框架。发现的MGCs-flagella调控轴为合成生物学改造菌群指明方向，例如通过增强代谢互补性设计抗病原体共生菌群。PairInteraX数据库的建立（涵盖78.2%的肠道酶功能）更将成为未来研究的重要基石。正如讨论部分强调，这项成果将帮助科学家"像工程师操纵电路一样精准调控微生物群落"，为下一代微生物疗法的开发奠定理论基础。