LorMe周刊每周定期为您奉上学术盛宴！本期周刊为您介绍在环境中复杂有机物分解殆尽后，专性分解者对群落后续的构建过程的影响，原文于2022年发表在《Science Advances》
环境中的专性分解者通过分解复杂有机物启动微生物群落的代谢反应，促进异养群落中异养微生物的生长代谢。然而，在复杂有机物物分解殆尽后，专性分解者对群落后续的构建过程究竟会产生多远的影响呢？本文通过研究降解几丁质的模型海洋微生物群落，发现不同的分解者产生不同类型的几丁质酶，代谢形成特定链长的低聚物，不仅会被后续的消费者选择利用，而且还会影响这些消费者分泌的公共产物。参与分级降解的每个物种都表现出对底物的独特偏好，群落资源可用性随时间变化，代谢能力不同的群体依序定殖。这一发现通过确定微生物群落组装的代谢基础，揭示了一种分层的交叉喂养结构，很好地解释了复杂有机物的多个分解者塑造群落组装的动力学过程。
天然聚合物降解群落中包含多个物种，在聚合物降解代谢的过程中发挥着不同的作用。将细菌分离株进行功能分类有助于研究明确微生物群落对聚合物的分级代谢流程以及代谢交叉喂养网络。在天然的几丁质降解群落中分离出来的18种菌株根据其几丁质利用能力被分成三组，即分解者（degrader）、剥削者（exploiter）、食腐者（scavenger），并测定了它们在几丁质单体N-乙酰葡糖胺（GlcNAc）和二聚体壳二糖上的生长能力（图1A和B）。18种菌株中，5个分解者可以同时利用多聚体、单体和二聚体三种碳源；6种剥削者不能使用几丁质，但是可以在GlcNAc上生长，其中4种还可以在壳二糖上生长；7种食腐者不能利用任何一种碳源，必须依靠其它物种的分泌物生长。这些不同代谢能力会随着时间的推移导致群落的结构和营养物质的组成不同。三组菌种的丰度变化描绘了分级降解的演替模式，即分解者降解几丁质产生供剥削者利用的产物，而剥削者又释放出支持食腐者利用的代谢物(图1C)。
图1. 降解几丁质海洋微生物群落的动态演替
分解者降解几丁质过程中分泌几丁质酶，该降解酶降解几丁质的产物既用于剥削者的生长也可能选择特定的剥削者物种。通过将5种分解者在几丁质中单独培养并提取上清液中的胞外酶再去分解几丁质而产生最多6种分解产物（图2A）。6种剥削者在五种几丁质分解产物中生长时，产生了不同的生长效果（图2B）。在共培养系统中，发现剥削者之间也可以互相利用产物，即在几丁质降解过程中形成了多个资源池，允许下游生长不太特化的物种。不同的几丁质降解产物也决定了剥削者分泌到资源池产物的类型，非降解者可以自由的选择性组合获得几丁质、低聚物和降解者生长过程中分泌的代谢副产物以供生长。
图2. 几丁质降解产物影响消费者物种丰度及其产物
菌株的特异性代谢分泌和摄取特征决定了菌株在群落中的生产生活。本研究明确了细菌群落中的每个物种都有不同的代谢物消耗曲线和消耗顺序，物种可能会专门消费具有不同偏好层次的独特资源，从而增加多个菌种在可利用养分波动的环境中共存的潜力。物种的独特代谢和摄取偏好也驱动了群落中降解者、剥削者和食腐者的顺序定殖，如在群落演替的后期时间点产生的代谢物优先被食腐者消耗，相应物种的丰度增大，完成群落演替。
菌株的特异性代谢分泌和摄取特征决定了菌株在群落中的生产生活。本研究明确了细菌群落中的每个物种都有不同的代谢物消耗曲线和消耗顺序，物种可能会专门消费具有不同偏好层次的独特资源，从而增加多个菌种在可利用养分波动的环境中共存的潜力。物种的独特代谢和摄取偏好也驱动了群落中降解者、剥削者和食腐者的顺序定殖，如在群落演替的后期时间点产生的代谢物优先被食腐者消耗，相应物种的丰度增大，完成群落演替。
群落中的营养物质交换是一个悬而未决的问题，本研究结果证明营养物质的交换具有有序的结构，（初级）分解者在其中发挥关键作用，长远地影响群落的构建和营养物质的交换。本研究通过整合单个物种分泌和摄取数据的方法推断代谢交换网络，这种交叉喂养结构推测技术可以推广到更复杂的环境中用于分析微生物群落的组装过程。
论文信息
原名：Metabolic cross-feeding structures the assembly of polysaccharide degrading communities
译名：代谢交叉喂养塑造多糖降解群落的组装
期刊：Science Advances
DOI：10.1126/sciadv.abk3076
发表时间：2022.02
通讯作者：Uwe Sauer
通讯作者单位：瑞士苏黎世联邦理工大学
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