无共生菌培养条件下Monocercomonoides exilis微生物群落的多组学分析揭示其营养依赖机制

本研究针对无共生菌培养条件下难以维持的无线粒体真核生物Monocercomonoides exilis，通过宏基因组测序、转录组学和代谢组学技术，系统解析了其培养体系中30种细菌组成的微生物群落动态变化及代谢互作网络。研究发现M. exilis依赖细菌猎物获取铁、多胺等必需营养，其基因表达呈现饥饿响应特征，为理解复杂微生物群落中真核-原核互作提供了新视角。

　　

在真核生物演化历程中，线粒体的丢失是极为罕见的事件。然而，Oxymonadida类群（包括模式物种Monocercomonoides exilis）却完全摒弃了这一重要细胞器，其独特的代谢机制成为研究真核生物适应性进化的绝佳模型。这类生活在动物肠道中的鞭毛虫虽能通过吞噬细菌获取营养，但实验室培养始终依赖复杂的原核生物群落，任何尝试建立无菌培养体系的努力均告失败。这种培养限制严重阻碍了对其特殊生理机制的深入研究，特别是关于其如何在不依赖线粒体的情况下完成铁硫簇组装等关键代谢过程。

为破解这一难题，捷克查理大学（Charles University）的研究团队对M. exilis培养体系展开系统性解析。通过整合宏基因组、转录组和代谢组数据，首次绘制出该培养体系的物种组成图谱和代谢网络，相关成果发表于《BMC Microbiology》。研究采用非靶向代谢组学（LC-MS/MS和GCxGC-MS）检测培养基成分变化，结合宏基因组组装（metaSPAdes）获得24个细菌基因组草图，并利用Pathway-Tools进行代谢通路重建。通过DESeq2分析不同生长时期的基因表达差异，最终揭示了这个特殊微生物群落的运作机制。

微生物群落组成动态
研究鉴定出包含30种细菌的群落结构，其中7种优势菌占80-90%的reads量。时序分析显示，培养初期以Fusobacteriota门的Fusobacterium varium为主，后期则被Bacteroidota门的Bacteroides fragilis等取代。值得注意的是，真核生物M. exilis的DNA reads占比始终低于1.5%，证实群落代谢活动主要由原核生物驱动。

营养代谢网络特征
代谢重建表明该群落主要依赖有机碳氧化和发酵产氢，但缺乏完整的氮循环。培养基中氨基酸、核苷酸等营养物质的快速消耗（48小时内减少80%）与M. exilis的捕食行为直接相关。特别发现某些细菌能合成M. exilis必需的亚精胺和磷脂酰胆碱，这可能是其无法单独培养的关键因素。

铁获取的生态博弈
研究观察到细菌间存在"铁载体作弊"现象：Citrobacter portucalensis等少数菌株分泌肠杆菌素（enterobactin），而多数菌株通过TonB系统窃取铁复合物。但M. exilis缺乏所有已知的铁摄取途径，暗示其完全依赖吞噬作用获取铁元素。

真核宿主的饥饿响应
随着培养时间延长，M. exilis显著上调糖原合成（trehalose和glycogen途径）和分泌相关基因（如Exo84、Sec5等外泌体复合物），同时下调氨基酸合成和蛋白翻译机制。这种表达模式与其细胞数量下降趋势吻合，表明后期培养环境引发典型的营养胁迫响应。

这项研究首次系统阐释了M. exilis与原核群落的复杂互作关系，揭示其营养依赖的多层次机制。特别重要的是，发现该真核生物无法自主获取铁元素，这对理解其特殊的胞质铁硫簇组装途径（CIA）有重要启示。研究建立的多元分析方法为其他难培养微生物的研究提供了范式，而发现的细菌合成必需营养素（如亚精胺）的互作模式，为未来设计合成培养基指明了方向。这些发现不仅推进了对无共生菌真核生物的认识，也为探索宿主-微生物共进化提供了新视角。