合成群落揭示人类鼻腔微生物组中依赖营养竞争的金金黄色葡萄球菌定植抵抗机制

《The ISME Journal》：Community composition drives metabolic competition and Staphylococcus aureus colonization resistance in synthetic nasal communities

　　

摘要

人类鼻腔微生物组是一个低多样性生态系统，其组装原则和定植抵抗机制尚未得到充分理解。金黄色葡萄球菌是部分个体鼻腔微生物组的成员，其丰度存在变异。我们假设营养竞争、菌株水平多样性和营养可用性塑造了群落稳定性和共生菌种抑制金黄色葡萄球菌的能力。为验证这一假设，我们构建了50个由5至10种具有不同菌株和物种组成的代表性人类鼻腔细菌接种的确定合成群落，并追踪了连续传代过程中群落组成的变化、金黄色葡萄球菌的生长情况、代谢谱及营养相互作用。所得联合体最终组装成最多包含6种共存物种的群落，并趋同为三种群落类型之一。由特定近邻棒状杆菌菌株主导的合成群落排斥了大多数其他群落成员，包括金黄色葡萄球菌。相反，缺乏近邻棒状杆菌主导的群落表明，金黄色葡萄球菌的排除主要由表皮葡萄球菌和鲁氏葡萄球菌的组合驱动。生长和共培养实验表明，在模拟鼻腔环境的条件下，近邻棒状杆菌能够竞争胜过金黄色葡萄球菌，而在营养丰富的条件下，金黄色葡萄球菌则占主导地位。代谢组学分析表明，营养竞争（包括铁载体利用和氨基酸限制）可能是这种定植抵抗的基础。这些结果建立了人类鼻腔微生物组可重复且具有可操作性的合成群落模型，并表明依赖营养的竞争和微生物代谢产物生成是群落结构和病原体排除的关键驱动因素。