科学家解释了微生物社区中的不同物种的共存程度

与所有生命一样,微生物需要某些营养素,例如阳光,糖或氮源,以存活和繁殖。许多微生物物种的营养需求重叠,将它们相互竞争。很多努力都致力于了解该竞争如何在营养成分稳步供应时影响微生物多样性。然而,本质上,资源只能季节性地提供资源,使其供应严重限制了至少一些时间。例如,在人类的饭后,糖的肠道中肠道的细菌可能会发现这些丰富,剩下的时间稀少。因为每个细菌种类是遗传独特的,所以它将有自己的特定策略使用给定的营养素。使用最有效的使用可用营养成分的物种体验最佳增长。

“关于微生物的长期问题涉及许多不同的微生物物种在竞争资源时如何共存,”霍华德A.生命科学教授和刘易斯 - 西格勒的教授综合基因组学研究所,高级作者  9月11日期刊Elife。

研究人员可以通过将细菌放入具有营养成分的容器中的季节性营养供应,让它们生长,然后拍摄小样品并将其移动到新的营养容器中 - 一种称为“串行稀释”的过程。随着时间的推移,文化中不同物种的相对丰度将根据可用的营养素和物种的营养使用策略而变化。通过进行重复回合的连续稀释,科学家可以观察季节性供应营养物质对社区多样性的影响。

科学家解释了微生物社区中的不同物种的共存程度

当营养成分仅季节性可用时,不同颜色代表不同物种的相对丰富。当营养素的推注是非常低(顶部图)或非常高(底图)的时,社区多样性很高,但是一个物种以营养供应的中间水平的牺牲(深蓝线,中间图)为代价,其中一个物种占主导地位。

使用这种方法检查细菌,营养素和营养利用策略的所有可能组合是不切实际的。相反,研究团队,包括副教育和研究生Jaime Lopez,以及Windreen的实验室的共同作者,通过数学建模串行稀释来调查这个问题。

“在我们的论文中,我们通过造型复发营养添加和耗尽来发展季节性生态系统中的微生物资源竞争的一般理论,”Wingreeen说。

当营养素只有季节性可用时,建模揭示了物种多样性与所提供的营养素量之间的令人惊讶的关系。首先,当所有营养素以非常高的量供应时,物种多样性很高,因为所有物种的生长在高营养水平上同样无限制。多样性在非常低的营养量下也高,因为在这种情况下,所有物种的生长受到限制,并且没有物种可以获得优势。

“季节性生态系统中的营养消费权衡可以导致稳定的生态系统,支持超出超出最简单的数学模型所预测的多样性的生态系统,”Wingreeen说。

然而,在中间营养水平,物种多样性鼻潜力,因为总会有一个物种能力使用最丰富的营养素存在超出他人的延伸。这个物种,作者称之为“早起的鸟”,提出了早期的增长优势,其他人不能弥补。

“早期的鸟类使用他们早先获得营养物质来排除他们的非目前竞争对手,”Wingreeen说。 “早期的鸟类在消耗易于访问的营养成分中有效,并利用其早期优势来突出竞争对手的营养素,这些营养素不容易获得。”

即使在更精细的模型中,早期鸟类效果也弥补了允许物种剥离他人的代谢副产品的模型,或者通过新个人的迁移来补充DWWINDLING物种的成员。但是早期鸟类的身份,或者是否会有一个,根据模型的输入转移:存在哪种营养素,并且在多少;提供营养素的频率;有哪些物种存在,他们的策略是什么。每当出现时,早期鸟会影响生态系统如何应对营养变化。

“生态学家长期以来寻求生物多样性之间的普遍关系和提供给社区的营养量。 Wingreen说,我们的模型不支持这种普遍关系的存在。

“这是一篇重要的论文,”耶鲁大学生态和进化生物学教授Alvaro Sanchez说,“  el 。 “它提供了一个优雅的建模框架,了解营养供应和竞争如何构建微生物社区的共存和多样性,它将激励新的实验。”

营养水平和权衡控制分集在串行稀释生态系统中,“由Amir Erez,Jaime G. Lopez,Benjamin Weiner,Yigal Meir和Ned S. Wingreen出现在当前的Elife问题中。 (DOI: 10.7554 / Elife.57790)。这项工作得到了NSF GRANTS GM082938,DGE-1656466,PHY-1734030,PHY-1748958,NIH Grant R25GM067110和Gordon和Betty Moore基金会授予2919.01。



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