Nature Communications | 揭示基因流動幫助競爭性微生物群體突破物種多樣性“極限”
1月27日,中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院合成生物學(xué)研究所材料合成生物學(xué)研究中心王騰團(tuán)隊在國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊Nature Communications發(fā)表了題為Horizontal gene transfer is predicted to overcome the diversity limit of competing microbial species的研究論文。該工作從理論上揭示了微生物群落中廣泛存在的水平基因流動可以幫助競爭性微生物群體突破物種多樣性“極限”,促進(jìn)群落的物種多樣性在環(huán)境擾動下的穩(wěn)定維持。
生命系統(tǒng)普遍服從“優(yōu)勝劣汰,適者生存”的基本規(guī)律,而微生物生態(tài)系統(tǒng)里卻經(jīng)常擁有大量既相互競爭又穩(wěn)定共存的物種。如何解釋這一看似悖論的現(xiàn)象,是微生物生態(tài)學(xué)的一項重大難題。理解競爭性群體中物種多樣性涌現(xiàn)和維持的機(jī)制,對于復(fù)雜微生物群落的定向改造和理性設(shè)計至關(guān)重要。
基于以上背景,王騰團(tuán)隊首先建立了復(fù)雜菌群中物種互作和基因流動的時空動力學(xué)模型。首先通過對雙物種競爭體系的數(shù)學(xué)分析,推導(dǎo)出了物種共存概率的解析解,發(fā)現(xiàn)提高基因流動速率可以大大拓展物種穩(wěn)定共存的相空間。通過在高維參數(shù)空間內(nèi)的隨機(jī)化,王騰團(tuán)隊進(jìn)一步計算了復(fù)雜群體中競爭性物種共存概率隨物種數(shù)量的變化曲線。發(fā)現(xiàn)無基因流動時,物種共存概率很快衰減為0,標(biāo)志著物種多樣性的“極限”。在這一極限之上,群體無法維持所有物種的穩(wěn)定共存,必會有物種被淘汰,使得多樣性恢復(fù)至這一理論極限之下。而基因流動可以顯著減緩物種共存概率的衰減速度,使得大量微生物群落可以在經(jīng)典理論預(yù)言的“極限”之上穩(wěn)定存在。
此外,團(tuán)隊還在菌群模型中引入了環(huán)境擾動,并模擬了復(fù)雜微生物生態(tài)系統(tǒng)在不確定環(huán)境中多樣性的變遷。基于這些發(fā)現(xiàn),團(tuán)隊提出微生物生態(tài)系統(tǒng)“動態(tài)中性”的全新概念:與傳統(tǒng)的“中性假說”相比,動態(tài)的基因流動可以為環(huán)境擾動下的群體結(jié)構(gòu)提供“有效緩沖”。這一概念是對微生物生態(tài)學(xué)理論大廈的有力補(bǔ)充,為如何構(gòu)建多樣化菌群提供了理論基礎(chǔ)。
中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院王騰副研究員為文章的通訊作者,其團(tuán)隊研究助理朱世奔為第一作者,研究助理洪居懇為第二作者。該研究得到了深圳合成生物學(xué)創(chuàng)新研究院的支持。
圖1 水平基因流動(HGT)拓展雙物種競爭體系穩(wěn)定共存的參數(shù)空間
圖2 基因流動(HGT)為環(huán)境擾動下的群體結(jié)構(gòu)提供緩沖
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