Nat. Commun：微生物群落中的協同生長是多穩態的驅動力
標題：Cooperative growth in microbial communities is a driver of multistability通訊作者：William Lopes；Jeff Gore相同外部條件下，微生物羣落往往表現出多種可能的穩定組成。在人類微生物組中，其物種組成和豐度的持續變化與健康和疾病狀態有關，但這些替代穩定狀態的驅動因素尚不清楚。在這裏，作者通過實驗證明了一個由六種與呼吸道相關的物種組成的跨界羣落，表現出四種不同的穩定狀態，每種穩定狀態由不同的物種主導。在成對共培養中，觀察到物種對之間廣泛的雙穩定性，爲整個羣落的多穩定性提供了一個自然的起源。與雙穩定性和對抗性之間的普遍關聯相反，實驗揭示了羣落成員內部和羣落成員之間的許多積極互動。研究發現多物種表現出協同生長，並且模型預測這可能會驅動羣落內觀察到的多穩定性以及非典型的成對結果。通過生物化學篩選發現，穀氨酸降低或消除了幾個物種生長中的協同性，並證實，這種補充降低了成對之間的雙穩定性程度，並降低了整個羣落的多穩定性。總之，研究結果提供了一種機制解釋，即合作生長而不是競爭相互作用是如何在微生物羣落中形成多穩態的。微生物羣落可以表現出多重穩定性，即微生物丰度在相同條件下達到替代穩定狀態的潛力。例如，人類腸道中普雷沃氏菌丰度的雙峯分佈，其中一種模式對應於占主導地位的細菌，而另一種模式則以低丰度狀態存在。反過來，多重穩定性的存在可以使短期的、暫時的擾動引起羣落組成和功能的急劇和持久的轉變。微生物組組成的持續變化會對人體健康產生重大影響，可能導致不健康狀態，即使使用抗生素治療也難以逆轉。這兩個特徵——物種組成的劇烈變化和難以逆轉——都被認爲是多穩定性的標誌。儘管這種替代穩定狀態至關重要，但微生物羣落中多重穩定性的驅動因素仍然相對未知。
強烈的相互拮抗作用是許多系統（包括微生物系統）中公認的雙穩態驅動因素之一。但與其他潛在驅動因素相比，它們的相對重要性在很大程度上仍未得到探索。物種內的相互作用，如合作生長，也可以在塑造羣落結構方面發揮重要作用。目前尚不清楚具有不同生長動力學的物種的聯合效應在多大程度上可以塑造成對相互作用之外的多穩態。
本研究中組裝了一個來自與人類呼吸道相關的6個物種的跨界羣落，發現它具有非常高的多穩態性- -表現爲4種可供選擇的穩定狀態。目的是確定基於成對的羣落構建規則是否能夠捕捉到6個物種的羣落動態。發現了廣泛存在的成對雙穩態現象，解釋了整個羣落的備選穩定狀態。與雙穩態是由強烈的相互抑制產生的預期相反，耗盡介質實驗揭示了羣落成員內部和成員之間的許多合作相互作用，從而揭示了焦點物種之間的合作生長動力學。實驗系統的易處理性使其發現穀氨酸的補充減弱了多個物種的協同生長。與微生物相互作用的動力系統模型的預測一致，研究發現穀氨酸的補充減少了成對和整個羣落中可供選擇的穩定狀態的數量，從而證明了種內協同生長是羣落中多穩定性的主要驅動力。
圖1：臨牀相關物種的六個物種羣落表現出四種替代的穩定狀態
圖2：成對競爭揭示了在四種替代穩定狀態中占主導地位的物種之間的廣泛雙穩態
圖3：大多數焦點物種表現出種內和種間促進作用，理論上可以通過Allee效應驅動雙穩態
圖4：生化篩選顯示，補充穀氨酸會降低合作生長的強度
圖5：當協同生長強度降低時，替代穩定態數量減少的理論預測和實驗證明
