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多样化菌群共存现象有了新解释

来源:中国科学报 刁雯蕙 访问:273 时间:2024-02-26

近日,中国科学院深圳先进技术研究院副研究员王腾团队从理论上揭示了微生物群落中广泛存在的水平基因流动可帮助竞争性微生物群体突破物种多样性“极限”,促进群落的物种多样性在环境扰动下维持稳定。近日,相关成果发表于《自然-通讯》。

生命系统普遍遵循“优胜劣汰、适者生存”的基本规律,而微生物生态系统中有大量既相互竞争又稳定共存的物种。如何解释这一看似悖论的现象,是微生物生态学的一大难题。理解竞争性群体中物种多样性涌现和维持的机制,对于复杂微生物群落的定向改造和理性设计至关重要。

王腾团队建立了复杂菌群中物种互作和基因流动的时空动力学模型。通过对双物种竞争体系的数学分析,他们推导出物种共存概率的解析解,发现提高基因流动速率可以大大扩展物种稳定共存的相空间。

王腾团队进一步计算了复杂群体中竞争性物种共存概率随物种数量变化的曲线,发现无基因流动时,物种共存概率很快衰减为0,标志着物种多样性的“极限”。在这一“极限”之上,群体无法维持所有物种的稳定共存,必有物种被淘汰。而基因流动可以显著减缓物种共存概率的衰减速度,使大量微生物群落可以在经典理论预言的“极限”之上稳定存在。

此外,团队还在菌群模型中引入了环境扰动,并模拟了不确定环境中复杂微生物生态系统多样性的变迁。基于这些发现,团队提出微生物生态系统“动态中性”的全新概念,即与传统的“中性假说”相比,动态的基因流动可为环境扰动下的群体结构提供“有效缓冲”。这一概念为如何构建多样化菌群提供了理论支撑。

相关论文信息:https://doi.org/10.1038/s41467-024-45154-w

(原载于《中国科学报》 2024-02-26 第3版 综合)

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