多篇高分文聚焦：从生态学角度认识菌群 | 热心肠日报

今天是第2604期日报。

Science：深入理解多物种微生物群落中出现的共存现象

Science[IF:56.9]

① 明确微生物种群多样性维持机制是生态学关键问题，目前微生物共生研究多集中在种间；② 为阐明独立成对共存与多物种群落共存的关系，在体外对12个不同富集群落的稳定共存成员进行了数百次成对竞争实验，通过自动图像分析系统量化物种丰度；③ 竞争性排斥为最常见结果，且具有很强的等级性和传递性；④ 稳定的生态群落中共存的许多物种在相同条件下无法成对共生共存，提示多物种共存是涌现现象；⑤ 群落环境对复杂生态系统的共存起源意义重大。

Emergent coexistence in multispecies microbial communities
07-20, doi: 10.1126/science.adg0727

【主编评语】生态学研究中要解决的其中一个重要问题是了解维持微生物生物多样性的机制。过去有关微生物共存的研究主要集中在物种对上，但目前还不清楚多物种群落中的共存是否需要孤立的成对共存。为了解决这个问题，Science最近发表的研究，在体外对12个不同富集群落中稳定共存的成员进行了数百次配对竞争实验。为了确定这些实验的结果，研究团队开发了一个自动图像分析流程来量化物种丰度。结果发现，竞争排斥是最常见的结果，而且具有很强的层次性和传递性。由于许多在稳定的多物种群落中共存的物种无法在相同条件下进行成对共培养，所以，多物种共存是一种涌现现象。这项研究强调了群落背景对于理解复杂生态系统中共存起源的重要性。（@NL）

Science：代谢互作模型再现叶片微生物群生态学

Science[IF:56.9]

① 使用代谢互作模型预测224种细菌菌株间互作结果，这些菌株是拟南芥叶片微生物组一部分；② 通过体外评估每种菌株在45种不同碳源上生长情况，发现基于碳源利用的模式株间存在明显系统发育特征；③ 通过竞争实验发现相比单独共生，株系的总体群体水平降低，与高株间生态位重叠的预测一致；④ 对超1.7万对菌株互作结果建模预测，在94%配对中，发现至少一株菌株丰度会减少；⑤ 这些菌株对于糖类竞争普遍存在，但可通过增加氨基酸和有机酸摄取抵消。

Metabolic interaction models recapitulate leaf microbiota ecology
07-07, doi: 10.1126/science.adf5121

【主编评语】微生物组的组成与宿主健康和生态系统功能密切相关。然而，在环境背景下决定物种丰度的过程仍然不太清楚。近日，瑞士苏黎世联邦理工学院研究人员在Science发表最新研究，通过实验和计算引导下解析了拟南芥叶际微生物群落中细菌成员间代谢互作，发现碳源可用性和代谢互作在植物宿主的群落组装中起着重要作用。除在原位再现物种间互作外，开发的建模框架可从机制上了解这些细菌间资源利用和交换的具体模式，值得关注。（@九卿臣）

Nature Reviews：肠道菌群在宿主中如何进化？（综述）

Nature Reviews Microbiology[IF:88.1]

① 肠道菌群以竞争与合作方式互作，高突变输入和复杂的选择压力使其在宿主内进化；② 肠道菌群可通过迁移、突变、遗传漂变、自然选择、重组和基因水平转移在自然选择中进化；③ 体外进化可揭示细菌特异性进化的速度和模式，体内动物模型可揭示菌群如何组装、进化动态；④ 毒力和耐药性的进化可驱动宿主疾病发生，通过益生菌和粪菌移植调节肠道菌群可用来治疗疾病；⑤ 了解肠道菌群宿主内进化的机制，将有助于开发微生态疗法，维持或恢复宿主健康。

Intrahost evolution of the gut microbiota
04-17, doi: 10.1038/s41579-023-00890-6

【主编评语】Nature Reviews Microbiology发表的综述文章，回顾了自然选择如何影响肠道菌在宿主（重点是小鼠和人类）内进化的最新研究成果，发现健康宿主的微生物群并非一成不变，相反，每个肠道定殖物种的基因组都可能是高度动态的，而这种动态性似乎与微生物群的物种多样性有关。通过遗传学和生物信息学工具以及对时间序列数据的分析，可以量化肠道生态系统中新出现的突变和水平转移事件的选择强度。未来需要了解宿主内部微生物群进化的规则，以更有效地开发微生物群疗法，帮助维持或恢复宿主健康。（@NL）

Nature子刊：一种自上而下识别微生物组中关键类群的框架

Nature Communications[IF:16.6]

① 引入一种统一框架用于鉴定关键种群，可同时应用于模拟的干扰实验和横断面数据；② 通过模拟GLV干扰实验演示了存在-影响的定义，发现指定的基于强度和结构关键物种的存在-影响显著大于非关键物种的存在-影响；③ 通过模拟交叉断面数据的单个指定基于强度的关键物种的EPI测量，可标记指定物种作为明显的关键候选物种；④ 通过系统实验，测试了实验存在-影响与横断面数据的EPI间的统计关系，发现每个EPI测量与实验存在-影响间存在显著相关性。

Top-down identification of keystone taxa in the microbiome
07-04, doi: 10.1038/s41467-023-39459-5

【主编评语】对微生物组中关键种群（keystone taxa）的确切生态学定义一直以来都是一个长期争议的问题。近日，以色列巴伊兰大学研究人员在Nature Communications发表最新研究，开发了一种自上而下识别微生物组中关键类群的框架，可一致地应用于模拟扰动实验和横截面数据。该方法通过分析物种对其他物种的存在-影响，无需重建网络或假设物种间存在特定的功能形式及其互作，在模拟数据和真实微生物群落数据中均表现出良好的性能，值得关注。（@九卿臣）

Nature子刊：资源竞争如何调节抗生素对微生物群落的影响？

Nature Communications[IF:16.6]

① 资源竞争的经典生态模型中，发现物种共存的复杂度可能来自资源竞争和抗生素活性的互作，且独立于其他生物机制；② 资源竞争导致丰富度变化取决于抗生素的应用，及多种抗生素同时应用的情况下出现协同和拮抗效应（非加和性），这些复杂的行为可能很普遍；③ 且群落常发生协同或拮抗作用，但通常不会同时出现，而拮抗作用更为常见；④ 抗生素序列中导致非互变性的竞争结构，与在抗生素组合中导致非可加性的竞争结构存在显著的重叠。

Modulation of antibiotic effects on microbial communities by resource competition
04-26, doi: 10.1038/s41467-023-37895-x

【主编评语】抗生素治疗会对人类肠道微生物群产生重大影响，但目前还缺乏对抗生素如何影响群落多样性的定量了解。Nature Communications发表的研究，以资源竞争的经典生态模型为基础，研究群落对抗生素活动或其他生长抑制因素（如噬菌体）诱导的物种特异性死亡率的反应。结果发现，连续使用多种抗生素的顺序会对最终的群落结构产生质的影响，而抗生素组合的处理也会在群落多样性水平上产生协同或拮抗作用。这些现象完全源于资源竞争，与其他生物机制无关。重要的是，即使在物种众多的群落中，当存在代谢交叉供食的情况下，这些现象也普遍存在，这表明它们可能通常发生在微生物群落中。（@NL）

认识微生物生态位（观点）

Trends in Ecology and Ecolution[IF:16.8]

① 生态位是生态学，生物地理学中的基本概念，分为微生物、环境、代谢生态位，用于认识生物互作、群落动态、地理范围限制、生物入侵、物种对气候变化的响应、制定生态保护计划；② 多组学方法为可能解决微生物系统性发育和群落的代谢生态位，开辟新应用；③ 代谢生态位框架可应用于代谢可塑性、区分栖息地普遍性和特异性、生物入侵和殖民化、改善微生物培养条件；④ 但群落复杂性和相关的方法学局限性，仍然限制着微生物生态位的研究。

Into the microbial niche
05-24, doi: 10.1016/j.tree.2023.04.015

【主编评语】环境生态位概念描述了类群在环境中的分布，可用于了解群落动态、生物入侵和环境变化的影响。Trends in Ecology and Ecolution发表的观点文章，提出了代谢生态位框架，或可提供关于栖息地偏好和相关代谢的新见解，及关于代谢可塑性、生态位转移和微生物入侵的信息，并为理解和预测全球变化背景下单个系统型、微生物群落和生态系统的命运提供了思路。（@NL）

粪菌移植的生态学原理（观点）

Trends in Microbiology[IF:15.9]

① 粪菌移植（FMT）和治疗性益生菌鸡尾酒法成功的关键，是微生物群在患者肠道内建立并将肠道微生物群恢复到健康状态；② 根据基本生态学原则，为临床试验提供信息可以优化FMT临床方案；③ FMT前抗生素剂量、类型都可能影响FMT最后的成功率，常驻微生物组不稳定也会对肠道微生物抗性产生负面影响；④ 多种供体或不同来源相结合，随时间顺序引入受体，或合成微生物群落引入受体，增强菌落合并过程中的微生物群多样性，可提高FMT的成功率。

Ecological principles of fecal microbiota transplantation
06-08, doi: 10.1016/j.tim.2023.05.009

【主编评语】粪菌移植（FMT）是一种用于治疗与微生物群失衡有关的疾病的方法。Trends in Microbiology发表的观点文章，重点讨论了生态学原理如何为 FMT 临床试验的设计提供依据，并为数据解释做出贡献，这将促进人们更好地理解微生物组移植，并有助于临床方案的制定。（@NL）

环境变化的选择会改变驱动兔恢复力的肠菌组成

Microbiome[IF:15.5]

① 选择产仔数高（n=34）和低（n=36）的两个兔子群体，通过宏基因组学探究环境差异导致产仔数不同背后的肠菌组成特征；② 两个群体间共鉴定出116个KEGG IDs、164个COG IDs和32个物种存在显著差异；③ 与选择高环境差异兔子相比，低环境差异兔子肠道沙氏别样杆菌、发酵乳杆菌等丰度较高，而布氏瘤胃球菌等丰度较低；④ 两组间生物膜形成、群体感应、谷氨酸等途径也存在显著差异，提示肠道免疫调节差异可能会导致兔子种群间的环境差异选择。

Selection for environmental variance shifted the gut microbiome composition driving animal resilience
07-04, doi: 10.1186/s40168-023-01580-4

【主编评语】了解宿主微生物组如何塑造表型并参与宿主对选择的反应对于进化论者和动植物育种者来说至关重要。目前，恢复力的选择被认为是提高畜牧系统可持续性的关键一步。环境方差（V E），即性状的个体内部方差，已被成功地用作动物复原力的代表。近日，西班牙瓦伦西亚理工大学研究人员在Microbiome发表最新研究表明，在相同环境条件下，对产仔数的环境方差进行选择可以改变动物的肠道微生物组，值得关注。（@九卿臣）

通过单菌株表型预测复杂群落对物理因素的响应变化

mBio[IF:6.4]

① 对28个科的92株肠道细菌进行体外的多个渗透压和pH条件下生长表型测定，其耐受力与已知的压力反应基因的丰度相关，但仍存未知应激途径；② 通过机器学习预测新功能特征，发现高渗透压耐受性与谷胱甘肽途径、胆碱途径以及渗透胁迫途径相关；③ 通过使用不同人类供体粪便进行体外培养，发现复杂群落对pH或渗透压的应激反应可被特定分类群预测；④ 通过改变饮食操作体内pH变化，验证了特定分类群单菌株也可预测体内群落对pH的应激反应。

Single-strain behavior predicts responses to environmental pH and osmolality in the gut microbiota
07-11, doi: 10.1128/mbio.00753-23

【主编评语】这是发表在mBio上的一份工作，作者收集了已具备基因图谱的28个科的92株肠道细菌（其中69种人源细菌、10种鼠源、13种其它来源），对其进行体外不同pH和渗透压条件下的生长情况测定。结合PATRIC数据库，发现了已知压力反应基因与表型的相关性，通过机器学习鉴定新特征集与预测新的压力反应途径，该模型在渗透压中表现良好，但在pH中未达到预期效果。结合体外人源菌群培养和饮食操纵小鼠体内环境pH，验证了单菌株在不同压力条件下的生长表现可预测复杂群落对应激的响应变化。研究结果强调了物理环境作为细菌组成主要驱动因素的重要性。但需注意的是，肠杆菌科内菌株表现出广泛应激耐受，而拟杆菌科和双歧杆菌科内菌株表现出对应激的耐受异质性，且无对应的基因组变异特征，可能与其注释不彻底或注释基因的差异表达相关。（@Johnson）

脊柱关节炎及其伴随疾病的肠道菌群特征

Arthritis and Rheumatology[IF:13.3]

① 对72例克罗恩病（CD）、103例急性前葡萄膜炎（AAU）、102例脊柱关节炎（SpA）患者以及62例对照者的粪便进行16S rRNA测序；② CD患者的α多样性指数最低，且Ruminococcus属丰度较高；③ 与对照组比，三组患者毛螺菌科丰度均降低，以Fusicatenibacter属最为明显，该属菌与C反应蛋白呈显著负相关；④ SpA患者Collinsella丰度增加，HLA-B27阳性患者Faecalibacterium属增加；⑤ 使用非甾体抗炎药可显著增加Fusicatenibacter属丰度。

Spondyloarthritis, acute anterior uveitis, and Crohn's disease have both shared and distinct gut microbiota
07-20, doi: 10.1002/art.42658

【主编评语】脊柱关节炎（Spondyloarthritides，SpA）是一组具有共同临床和遗传特征的慢性炎症性疾病，常伴随指炎、葡萄膜炎、牛皮癣、炎症性肠病（IBD）等。该疾病具有家族聚集现象，并与HLA-B27基因相关。近期在Arthritis & Rheumatology上发表的一项研究发现，患有克罗恩病（CD）、急性前葡萄膜炎（AAU）和脊柱关节炎（SpA）的患者存在相似且特定的肠道菌群组成。研究还发现Fusicatenibacter属细菌与炎症性疾病密切相关，但该细菌在相关疾病中的作用仍需进一步研究。（@EADGBE）

感谢本期日报的创作者：陈娟娟，湖人总冠军，Jack Chen，阿童木，拍了花宝贝，YANG WEI，WK红叶