猪鼻微生物群落PNC8的体外代谢互作网络解析及其对呼吸道病原体定植抵抗的启示

本研究针对鼻微生物群代谢互作网络认知不足的问题，通过构建猪鼻微生物联合体PNC8（含8种优势菌株），系统解析了其体外代谢互作特征。研究人员采用代谢组学、消耗培养基实验和共培养技术，发现菌株间以糖类竞争为主导的负向互作普遍存在，并揭示了复杂竞争等级关系。该研究为理解鼻微生物群生态调控机制及开发抗呼吸道病原体干预策略提供了重要理论依据。

　　

呼吸道微生物群落作为抵御病原体入侵的第一道防线，其组成机制一直是微生物生态学研究的热点。尽管肠道微生物的代谢互作网络已被广泛研究，但鼻微生物群的代谢互作规律仍如"黑箱"。尤其值得注意的是，鼻微生物群与呼吸道病原体间的营养竞争关系，可能成为新型抗感染治疗的突破口。然而，现有研究面临两大挑战：缺乏能代表体内复杂群落的简化模型，以及系统解析代谢互作的实验工具。

西班牙巴塞罗那自治大学动物健康研究中心（Universitat Autònoma de Barcelona）的研究团队在《iScience》发表的研究中，创新性地构建了猪鼻微生物联合体PNC8。该联合体包含8个菌株，覆盖健康仔猪鼻腔中最丰富的菌属（相对丰度中位数达64%）。通过多组学技术结合体外实验，研究人员首次绘制了鼻微生物群的代谢互作图谱，发现竞争性互作主导的生态关系，为理解鼻腔微生态平衡提供了新视角。

研究采用三大关键技术：1) 基于16S测序数据筛选优势菌株构建PNC8；2) 23种培养基的表型筛选结合气相色谱-质谱（GC-MS）代谢组学分析；3) 消耗培养基实验与直接共培养相结合的互作网络解析。其中，来自94只健康仔猪的鼻腔样本数据为模型构建提供了生态学依据。

【Development of a defined community of the piglet nasal microbiota(PNC8)】
研究首先通过分析94只健康仔猪的鼻腔菌群数据，筛选出8个最丰富菌属（如Moraxella、Streptococcus等），构建了PNC8联合体。基因组分析显示，这些菌株共同覆盖了鼻腔菌群大部分代谢功能模块。值得注意的是，PNC8中Moraxella pluralimalium LG6-2不利用葡萄糖的特性，可能与其在天然鼻腔中的优势地位（相对丰度中位数28.5%）相关。

【Characterizing in vitro growth capabilities of individual PNC8 members】
在23种培养基的生长测试中，PNC8菌株展现出显著差异的营养需求。除Staphylococcus aureus EJ41-2外，其他菌株均为"代谢专才"，仅在特定培养基中生长。引人注目的是，所有菌株都无法在仅含葡萄糖的基础培养基中生长，暗示鼻腔菌群成员普遍需要复杂营养环境。

【Examining metabolic activity of PNC8 strains】
代谢组学分析揭示，不同菌株在相同培养基（BHI+NAD⁺）中呈现特异的代谢模式。虽然氨基酸利用较少，但葡萄糖等糖类被多数菌株共同消耗。值得注意的是，菌株间存在广泛的代谢物共消耗现象（如57%的菌株对同时消耗葡萄糖），为后续竞争互作研究埋下伏笔。

【Identifying directional metabolic interactions】
消耗培养基实验构建的定向互作网络显示，pH调整前后分别检测到72%和64%的负向互作。典型如Streptococcus pluralimalium LG3-6通过酸化培养基抑制其他菌株生长，而Moraxella pluralimalium LG6-2则在Lactobacillus plantarum KD9-5的消耗培养基中生长增强，揭示代谢互作的复杂调控机制。

【Examining the impact of metabolite competition】
共培养实验证实，78%的PNC8菌株组合呈现低于预期的生物量产出，表明竞争普遍存在。生长曲线分析建立了菌株间竞争等级：S. aureus EJ41-2在所有测试条件下均能优势生长（终丰度>90%），而Rothia nasimurium UK1-9和M. pluralimalium LG6-2的竞争结果则受培养基影响。

该研究通过构建PNC8模型系统，首次揭示鼻微生物群以营养竞争为主导的生态关系。特别值得注意的是，糖类（如葡萄糖）作为关键竞争资源，塑造了菌株间的互作网络。这一发现为理解鼻腔菌群组成规律提供了代谢视角，也为开发基于"营养阻断"的病原体干预策略奠定基础。研究同时提出有趣假设：天然鼻腔中Moraxella的竞争优势可能源于其独特的短链脂肪酸利用能力，避免了激烈的糖类竞争。未来研究可进一步探索PNC8与宿主免疫的互作，以及在高阶群落中的代谢重组现象。这些发现对呼吸道感染防治和微生物组工程具有重要启示意义。