普林斯顿大学的科学家解释种微生物群落如何多样共存

七重峰18年,2020年下午1时43分

在许多生物群落多样性是平衡的生态系统的一个标志。当一个物种占主导地位,整个系统就会失控。

例如,某些海洋藻类的过度生长不受控制导致有毒赤潮是杀死鱼类和其他海洋生物,以及人类患病。在一个更加个人的水平,人体肠道内的主机一个大社区不同的细菌是适当的消化和营养的吸收是至关重要的。破坏或失衡在这个细菌群落可以在有毒的物种的生长造成绽放,引起恶心,腹泻等病症。有一个迫切需要了解社会如何微生物多样性的开发和维护,尤其是人类活动改变我们的外部和内部环境。

Fluorescently labeled bacterial and mouse gut cells

普林斯顿的研究阿米尔埃雷兹,杰米·洛佩斯,斯内德温格林的路上和他的同事模型是如何当微生物取决于营养都只是季节性可用的细菌群落物种多样性受到影响。在这里,细菌和鼠标肠细胞都标有荧光标记。

像所有的生活,需要微生物某些营养素,如阳光,糖或氮源,生存和繁殖。许多微生物物种的营养需求重叠,使他们相互竞争。很多努力一直致力于理解这种竞争是如何影响微生物多样性时,营养成分稳定地供给。然而,在本质上,这是相当普遍的资源可用于仅季节性使他们的供应至少严重限制了一些时间。例如,在肠道细菌活在糖可能会发现这些丰富的右后人类的吃完饭,和稀缺的时间休息。因为每个细菌物种在遗传上是独一无二的,它会使用给定的养分自己独特的战略。与使用速效养分最有效的策略种体验最好的增长。

“关于微生物的担忧长期存在的问题,许多不同微生物物种如何使管理对有限资源的竞争时共存,”斯内德说: 温格林的路上,霍华德一个。前教授在生命科学,分子生物学教授和综合基因组的刘易斯 - 格莱尔学院,一d上的资深作者 在七重峰11日刊网上生活的。

研究人员可以通过将细菌的营养物质的容器,让他们成长,然后取一个小样本,并将其移至营养素的新的容器重新在实验室季节性营养供给 这个过程被称为“连续稀释。”随着时间的推移,不同种类的文化的相对丰度将根据现有的养分和物种的养分利用策略改变。通过进行多轮重复的连续稀释,科学家可以观察群落多样性季节性供应营养物质的作用。

3 graphs showing the relative populations density of bacteria and food

不同的颜色代表不同的物种的相对丰度时,营养素只是季节性可用。群落多样性为高电平时营养物质供应的丸或者是非常低的(上图)或非常高(下图),但在其他的营养供给的中间水平为代价的(深蓝色线,中图)一个物种占主导地位。

这将是不切实际的检查细菌,营养成分和养分利用率的策略使用这种方法的所有可能的组合。相反,研究团队, - 包含 副研究学者阿米尔埃雷兹和研究生杰米·洛佩斯,在纸上的合着者和温格林的路上实验室成员 — 调查通过数学建模连续稀释这个问题。

“在我们的文章中,我们开发通过模拟反复养分增加和消耗的季节性生态系统微生物资源竞争的一般理论,”温格林的路上说。

当营养素只是季节性可用,建模发现物种多样性和提供营养物的量之间有很大的关联。首先,当所有营养成分非常高量的供应,因为所有的物种生长在高营养水平也同样无限的物种多样性高。多样性也很高,在非常低的营养物质量,因为所有物种的生长在这样的条件下限制,无种属可以捷足先登。

“那支多样性超出了由简单的数学模型预测,在季节性生态系统养分消耗的权衡可能会导致生态系统的稳定”温格林的路上说。

在中等营养水平,然而,物种多样性鼻子潜水,因为总是会有一个物种,其使用营养最丰富,目前超过了他人的能力。这个物种,作者称之为“早起的鸟儿”获得早期的生长优势别人永远无法弥补。

“早起的鸟种使用他们的早期营养物质存取排除其不那么早的竞争对手,”温格林的路上说。 “早起的鸟儿有效率的消费方便的营养物质和使用其早期的优势外竞争竞争对手的营养成分,是不容易接近。”

早起的鸟儿效应模型的更详细的版本,使物种养活了别人的代谢副产物,或为萎缩物种的成员由迁入新个体的补充甚至绝收了。但早起的鸟儿的身份,或者是否会有甚至是一个,班次根据模型的输入:哪些营养素都存在数额是多少;多久的营养供应;和物质存在,以及他们的策略。每当它出现时,早起的鸟儿是如何影响生态系统的响应养分变化。

“生态学家一直在寻求生物多样性和提供给社区营养素的量之间的普遍联系。这一世界关系的存在不是由我们的模型支持,”温格林的路上说。

“这是一个重要的文件,”说阿尔瓦罗·桑切斯,在耶鲁大学生态学和进化生物学教授,编辑在 网上生活。 “它提供了一个优雅的造型框架,了解如何供应养分和竞争可以共存的结构和多样性的微生物群落,它会激发新的实验。”

"在连续稀释生态系统的营养水平和取舍控制多样性“,由埃米尔埃雷兹,海梅克洛佩兹,本杰明韦纳,盖尔·米尔和NED小号温格林的路上,出现在网上生活的当前问题(DOI。: 10.7554 / elife.57790)。这项工作是由美国国家科学基金会的资金支持gm082938,DGE-1656466,PHY-1734030,PHY-1748958,美国国立卫生研究院资助r25gm067110和戈登和贝蒂摩尔基金会授予2919.01。