环境介导的细菌外化集体记忆：微生物互作中的历史依赖性机制

本研究揭示了细菌通过集体改变环境化学组成形成"外化记忆"的新机制。研究人员通过Lactobacillus plantarum (Lp)和Corynebacterium ammoniagenes (Ca)双菌模型，证明环境pH变化作为"记忆载体"能持续影响后续微生物互作结局。该发现为理解微生物群落组装的历史依赖性提供了新视角，对宿主-微生物互作、土壤生态等领域具有重要启示意义。

　　

在复杂的微生物世界中，细菌间的相互作用往往决定着生态系统的命运。传统认知中，细菌的记忆机制多局限于细胞内，如表观遗传修饰或蛋白质稳态。然而，德国图宾根大学微生物与感染医学跨学科研究所（Interfaculty Institute for Microbiology and Infection Medicine Tübingen, IMIT）的Shubham Gajrani、Xiaozhou Ye和Christoph Ratzke*团队在《The ISME Journal》发表的研究，颠覆了这一认知——他们发现细菌群体能通过化学修饰环境形成"外化集体记忆"，这种存储在细胞外的记忆能持续影响后续微生物互作，如同生态系统的"化学日记"。

研究团队建立了一个精妙的双菌模型系统：产酸菌Lactobacillus plantarum (Lp)和产碱菌Corynebacterium ammoniagenes (Ca)。当这些细菌在含葡萄糖和尿素的培养基中生长时，Lp通过分泌有机酸降低pH，而Ca通过分解尿素产生氨升高pH，二者形成相互抑制的化学战。但令人惊讶的是，这种化学改变不仅能决定当下竞争结局，还能作为"环境记忆"影响未来——即使移除原始菌体，仅保留其修饰过的培养基，新引入的竞争菌株仍会受先前化学环境的影响。

关键技术方法包括：1）建立Lp/Ca双菌竞争体系，通过pH选择性平板区分菌落；2）设计"记忆转移"实验（分别保留菌体或培养上清）；3）多参数调控（温度18/35°C、氧气水平）；4）八菌群落组装实验；5）基于微分方程的数学模型构建。

微生物互作结局受系统历史影响

实验显示，当Ca初始占比4%-46%时，系统呈现明显历史依赖性：预先适应环境的菌株竞争优势提升1.8倍。这种效应具有群体密度依赖性——在稀释条件下消失，证明其本质是集体行为（图1D-E）。通过去除细胞内记忆（菌体洗涤）或保留环境记忆（上清转移）的对照实验，确认记忆载体是环境化学物质而非细胞内机制。

生长条件通过外化记忆影响互作

在35°C（最适温度）形成的环境记忆，使Ca竞争优势比18°C条件提高2.3倍。测量显示，最适条件下单菌pH改变效率显著更高（Lp质子分泌：P=0.0008；Ca羟离子分泌：P=0.0007），说明代谢状态决定记忆强度（图2C）。这种"条件依赖性记忆"解释了为何相同菌群在不同历史条件下会发展出不同结构。

数学模型揭示记忆窗口机制

研究者建立微分方程模型：dN_i/dt = N_iΘ(1-|p-p_o,i|) - r_dilutionN_i，其中环境变量p受菌群调控（k_i）。模拟显示：1）记忆效应仅当环境改变速率适中时存在（k=0.1-3），过快则被"覆盖"；2）系统必须具有多稳态特性才能维持记忆（图3B-C）。拓展到八菌三变量系统时，特定菌株记忆可使群落进入全新稳定状态。

https://hunyuan-plugin-1258344706.cos.ap-nanjing.myqcloud.com/pdf_youtu/img/04308afcbd2e9128bcd518326ada9df9-image.png' caption=''>