Metabolic interactions affect the biomass of synthetic bacterial biofilm communities
代谢相互作用影响人工合成细菌生物膜群落的生物量
来源：mSystems, 2023 November/December, Volume 8, Issue 6
《mSystems》，2023年11/12月，第8卷，第6期
摘要
本研究结合共现网络分析、定量PCR、基因组尺度代谢模型与体外实验，探究根际来源的人工合成生物膜群落中物种间的相互作用。结果表明，群落生物量主要受关键物种调控，这些物种通过代谢促进或资源竞争发挥作用。阳性关键物种泛生泛菌（Pan）可作为代谢供体支持其他菌株生长，阴性关键物种根际金黄杆菌（Chr）则通过高强度资源竞争抑制整体生物量。研究证明代谢交换与资源竞争共同塑造合成菌群结构，为理性设计功能微生物群落提供方法学范例。
关键词
合成菌群；生物膜；代谢相互作用；共现网络；代谢模型；根际微生物；关键物种；资源竞争
研究目的
揭示代谢相互作用如何影响多物种生物膜群落的组成与生物量，鉴定关键功能物种，建立网络分析与代谢模型结合的菌群互作研究方法。
研究思路
1. 从黄瓜根际土壤构建11种细菌的初始生物膜合成菌群。
2. 通过16S扩增子与共现网络分析筛选核心6菌株群落。
3. 采用逐株移除策略评估各菌株对群落生物量的贡献。
4. 利用基因组尺度代谢模型预测代谢交换与资源重叠度。
5. 采用上清交叉饲喂、表型芯片、抑菌试验等验证代谢促进与竞争关系。
6. 使用Bioscreen C测定不同菌株在无菌上清与条件培养基中的生长曲线。
研究亮点
1. 建立“共现网络+逐株移除+代谢模型”的合成菌群功能解析新策略。
2. 鉴定出双向关键物种：Pan为代谢促进型，Chr为竞争抑制型。
3. 证实生物膜群落的生物量由代谢互利与资源竞争共同决定。
4. 实现根际多物种生物膜的理性构建与互作机制精准解析。
可延伸的方向
1. 构建促生、抗病、降解功能导向的合成生物膜菌群。
2. 优化关键菌株配比，实现群落生物量与功能最大化。
3. 探究根际原位条件下菌群互作的动态变化。
4. 结合转录组与代谢组揭示互作的分子机制。
5. 将该方法扩展到肠道、环境、工业等其他合成菌群系统。
测量的数据及研究意义
1. 生物膜演替与丰度数据：11株菌中Chr与Aci占绝对优势，3株无法定殖，来自图1A，意义是确定核心群落组成，为简化菌群提供依据。
2. 共现网络数据：Chr呈显著负相关，Pan、Com、Ent呈正相关，来自图1B、1C，意义是预测物种互作方向，筛选关键核心菌株。
3. 移除菌株后生物量数据：移除Chr生物量上升，移除Pan生物量下降，来自图2，意义是实验验证Pan为正调控、Chr为负调控关键物种。
4. 代谢交换预测数据：Pan为主要代谢供体，提供氨基酸、杂环化合物等，来自图3A–3C，意义是揭示互利共生的物质基础。
5. 交叉饲喂生长数据：Pan的上清可促进多株菌生长，来自图3D、3E，意义是验证Pan的代谢促进作用，模型预测准确率69.5%。
6. 资源竞争数据：Chr与其他菌株营养高度重叠，快速消耗养分，来自图4，意义是证明Chr的抑制作用源于营养竞争而非拮抗。
结论
1. 合成生物膜群落的生物量由物种间代谢促进与资源竞争共同决定。
2. 泛生泛菌Pan是阳性关键物种，通过代谢交叉饲喂促进群落整体生长。
3. 根际金黄杆菌Chr是阴性关键物种，通过高强度资源竞争降低群落生物量。
4. 共现网络可有效预测菌群互作，但必须结合移除实验与代谢模型进行验证。
5. 本研究方法可广泛用于理性设计稳定、高效的功能微生物群落。
使用芬兰Bioscreen仪器测量数据的研究意义
使用Bioscreen C全自动生长分析仪在蜂窝板中30℃连续监测OD600，每30分钟自动读数，精确测定各菌株在TSB、Chr无菌上清、Pan无菌上清及M9最小培养基中的生长动力学。该数据可客观量化菌株的生长能力、营养利用范围及对其他菌株代谢产物的响应；直接证明Chr上清因养分耗尽而抑制其他菌株生长，同时证实Pan上清可交叉饲喂促进多菌株生长；排除生长速率差异对生物膜表型的干扰，为“代谢促进”与“资源竞争”机制提供关键、可重复的定量证据。