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多樣化菌群共存現(xiàn)象有了新解釋
近日，中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院合成生物學(xué)研究所副研究員王騰團(tuán)隊(duì)在《自然—通訊》發(fā)表研究成果。該研究從理論上揭示了微生物群落中廣泛存在的水平基因流動(dòng)可以幫助競(jìng)爭(zhēng)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(dòng)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(jìng)爭(zhēng)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(xiàng)重大難題。理解競(jìng)爭(zhēng)性群體中物種多樣性涌現(xiàn)和維持的機(jī)制，對(duì)于復(fù)雜微生物群落的定向改造和理性設(shè)計(jì)至關(guān)重要。
基于以上背景，王騰團(tuán)隊(duì)首先建立了復(fù)雜菌群中物種互作和基因流動(dòng)的時(shí)空動(dòng)力學(xué)模型。首先通過(guò)對(duì)雙物種競(jìng)爭(zhēng)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(dòng)速率可以大大拓展物種穩(wěn)定共存的相空間。
通過(guò)在高維參數(shù)空間內(nèi)的隨機(jī)化，王騰團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步計(jì)算了復(fù)雜群體中競(jìng)爭(zhēng)性物種共存概率隨物種數(shù)量的變化曲線。研究發(fā)現(xiàn)，無(wú)基因流動(dòng)時(shí)，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(wú)法維持所有物種的穩(wěn)定共存，必會(huì)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(dòng)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(duì)還在菌群模型中引入了環(huán)境擾動(dòng)，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(duì)提出微生物生態(tài)系統(tǒng)“動(dòng)態(tài)中性”的全新概念，即與傳統(tǒng)的“中性假說(shuō)”相比，動(dòng)態(tài)的基因流動(dòng)可以為環(huán)境擾動(dòng)下的群體結(jié)構(gòu)提供“有效緩沖”。這一概念是對(duì)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)。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41467-024-45154-w
