Science | 重磅！苏黎世联邦理工学院开发模型以预测植物微生物组中的相互作用！

以下文章来源于Ad植物微生物 ，作者周小马

微生物组的组成与宿主健康和生态系统功能密切相关。然而，在环境背景下决定物种丰度的过程仍然不太清楚。鉴于微生物组受资源可用性限制，了解其组成微生物的代谢能力可为预测物种间相互作用和更广泛的微生物组装规律提供关键途径。

植物构成了地球上最大的生物量，并且被各种微生物所寄生，影响其健康和生长。植物微生物组的组成主要是确定性的，这表明明确的群落组装驱动因子的存在。然而，这些模式背后的相互作用的代谢机制仍然不太清楚。

2023年7月6日，国际顶级学术期刊Science发表了瑞士苏黎世联邦理工学院Julia Vorholt团队（Nature Microbiology | 研究揭示拟南芥叶际细菌之间的相互作用景观！Nature Microbiology | 研究揭示拟南芥叶片微生物群对抗病原细菌的保护作用！Nature Microbiology | 背靠背！苏黎世联邦理工学院研究揭示植物微生物群落稳态机制！Nature Plants | 不同威胁，相同反应！苏黎世联邦理工学院揭示植物免疫的普遍非自身反应！PNAS | 苏黎世联邦理工学院研究揭示土壤微生物变化对植物器官微生物群落的影响！Nature Communications | 研究揭示叶际共生细菌在植物中的动态性状替换机制！‍）的最新相关研究成果，题为Metabolic interaction models recapitulate leaf microbiota ecology的研究论文。

为了评估资源分配模式对微生物相互作用的影响程度，科研人员首先对从野生拟南芥（Arabidopsis thaliana）叶片上分离的224个代表性细菌株系的碳源利用能力进行了描述。为此，科研人员在45种不同的碳源上培养了每个分离株，并开发了一个计算工具以自动评估每株菌株的生长情况。这个筛选实验使科研人员能够计算菌株之间代谢生态位重叠的程度，从而预测植物宿主上的资源竞争。科研人员进一步利用这些实验数据生成了224个基因组规模代谢模型的集合，包含了每个微生物的代谢网络。科研人员利用这些模型预测了菌株间相互作用对植物宿主的影响，并获得了关于这些细菌之间特定资源利用和交换模式的机制见解。

图1. 实验和计算引导下对拟南芥叶际微生物群落中细菌成员间代谢相互作用的预测和测试概述

科研人员发现，从实验筛选和基因组规模模型中基于碳源利用模式的菌株之间存在明显的系统发育特征。科研人员通过在拟南芥宿主上进行竞争实验来验证模型和基于生态位重叠预测的表现。这些实验揭示了负相互作用结果（即，与单独共生相比，株系的总体群体水平降低），这与高株间生态位重叠的预测一致。基因组规模模型为这些相互作用提供了额外的见解，还准确预测了在植物体内观察到的正相互作用实例，进一步强调了碳代谢对群落组装的重要性。在这个实验验证之后，科研人员对超过17,500对菌株的相互作用结果进行了建模预测。科研人员预测，在94%的配对中，至少一株菌株的丰度会减少。然后，科研人员分析了这些预测结果的代谢通量，发现对于糖类的竞争普遍存在。在科研人员的模拟中，这种竞争可以通过增加氨基酸和有机酸的摄取来抵消，这暗示了我们在植物体内观察到的正相互作用结果的代谢机制。

图2. 碳源利用筛选显示高营养生态位重叠的热点区域

图3. 拟南芥叶片微生物群落中224个细菌成员的代谢模型集合概述

图4. 模型预测和植物内相互作用的验证

图5. 模型预测的相互作用结果和机制

科研人员的结果表明，碳源可用性和代谢相互作用在植物宿主的群落组装中起着重要作用，这与这里观察到的特征保守性一起，可能有助于植物微生物组整体确定性结果的形成。除了在原位再现物种间相互作用外，科研人员的建模框架还代表了确定导致特定生态模式出现的代谢机制的强大工具。这种知识最终将实现有针对性的微生物组设计，这对于微生物组在健康、农业和环境方面的应用至关重要。

转自：“植物生物技术Pbj”微信公众号

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