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编译：艾奥里亚，编辑：小菌菌、江舜尧。
原创微文，欢迎转发转载。
导读
有机体--尤其是微生物--往往群体生活在生态系统中。有些生态系统中的生物多样性很强，有些则不然；有些生态系统随着时间的推移非常稳定，但有些生态系统表现出强烈的波动。对于该方面目前已有很多研究，但仍没有完全了解是什么决定了生态系统的生物多样性和稳定性。已有的理论和实验研究表明，物种相互作用、生物多样性和生态系统的稳定性之间存在联系，在某些情况下，可以观察到生态系统稳定性随生物多样性的增加而增加。然而，是什么导致了这些联系仍不清楚。
本研究通过研究实验室条件下的微生物生态系统的变化发现，可利用营养素的浓度可以决定细菌之间相互作用的强度。高营养浓度允许细菌强烈改变化学环境，导致物种之间产生更多的负面相互作用。这些更强的相互作用将更多的物种排除在群落之外，导致生物多样性的丧失。同时，较强的相互作用也降低了微生物群落的稳定性，这一研究的发现为微生物生态系统中物种相互作用、生物多样性和稳定性之间的联系提供了一种机制上见解
论文ID
原名：Strength of species interactions determines biodiversityand stability in microbial communities
译名：物种相互作用的强度决定了微生物群落的生物多样性和稳定性
期刊：Nature Ecology & Evolution
IF：10.965
发表时间：2月
通讯作者：Christoph Ratzke，JeffGore
通讯作者单位：麻省理工学院（MassachusettsInstitute of Technology）
实验设计
成对培养试验：本研究选择8种不同的土壤微生物作为研究对象进行土壤生物间相互作用的研究，这些微生物包括Pseudomonas putida（ATCC 12633），Pseudomonas aurantiaca（ATCC 33663）, Pseudomonas citronellolis （ATCC 13674），Micrococcus luteus（Ward’s Science）, Sporosarcina ureae（Ward’s Science），Bacillus subtilis（strain 168），Enterobacter aerogenes（ATCC 13048）以及Serratia marcescens （ATCC 13880）。在成对培养中，10 μL菌液稀释于200μL基础培养基以及10mM或100mM磷酸盐 ± 1%葡萄糖和0.8%尿素中，30°C摇晃培养。每24h对共培养体系稀释十倍制备成新的培养体系。每个培养周期结束时（每24h）测量溶液中pH以及吸光度（OD600）。培养5d后采用平板涂布法测量菌落生长情况。
土壤微生物动态变化：本研究堆肥样本购买自马萨诸塞州波士顿的Bootstrap堆肥厂。土壤样本采自在马萨诸塞州，采样深度30厘米。花盆土于实验当天采自10厘米深的大型室内植物盆栽中。4g堆肥和花盆土壤样本稀释在20 mL PBS中，室温250rpm培养30 min，随后静置5min，吸取上清液按1：10比例稀释。对于土壤样本而言，约0.1 g土壤样本稀释于40 mL PBS中，按上述步骤混合静置，随后吸取上清液备用。在2000 µL 96孔板中，在pH=7基础培养基中分别添加10 mM（低营养条件）和100 mM（高营养条件）的磷酸盐缓冲液。两种条件下分别添加0/0、0.5/0.4、1/0.8、2/1.6、3/2.4和5/4%（m V-1）的葡萄糖/尿素。500 rpm，25°C下培养。每24h对培养体系进行混合均匀，随后按1：10比例稀释到新鲜培养基中。每天测定溶液中吸光度（OD600）以及pH值。并取样用于微生物多样性分析。
结果
我们首先在成对相互作用的背景下，探讨了养分浓度对相互作用强度的影响。其中，所有微生物都会影响pH值同样也会受到pH值的影响。由于不同细菌的生长具有不同的最适pH，通过改变pH值可以直接影响微生物自身以及其他微生物的生长。我们测定了92个土壤细菌在添加0.1%酵母膏和0.1%蛋白胨的培养基中的环境pH变化。当细菌生长在初始pH值为7的低营养浓度培养基下时，细菌将培养基的pH略有向碱性转变的趋势，而在高营养浓度下，它们要么强烈地增加培养基pH值，要么显着降低培养基pH值（图1b）。
为了探究在高营养浓度下这种强烈的环境变化是如何影响细菌的相互作用，我们分别在低营养和高营养浓度下培养了8种不同的土壤细菌，提取它们的废液，重新接种其他微生物并监测他们的生长（图1c上图）。从低营养培养基上生长的细菌通常表现出降低但不完全抑制生长的现象。然而，通过向废弃培养基中添加新鲜营养物质可以减弱这种效应，这表明生长抑制在很大程度上是由资源竞争所驱动的。相反，高营养浓度的废培养基在许多情况下导致更明显的负相互作用和完全抑制细菌生长。因此，较高的养分浓度有效地引起了较强的负相互作用。但我们并不不排除在微生物群落中仍存在正相关的相互作用。与低营养浓度下所观察到的结果不同，在高浓度废弃培养基中通过添加新鲜的营养物质并不能减弱这种抑制效果（图1c下图）。因此，这些负面的相互作用主要是由有毒代谢物的产生所驱动的。缓冲液去除了上清液抑制作用的很大一部分，表明pH是导致这种毒性的主要因素。当我们的细菌在较高的营养浓度下生长时，往往会产生更有害的环境。
为了探究这些环境变化对细菌共存的影响，我们在高浓度以及低浓度营养条件下，分批培养对8种物种的所有成对组合进行了共培养（图1d）。培养5d后，采用平板涂布法测定培养物组分。在低营养浓度下，共培养中存在大量共生组分。但相同组分在高营养浓度下，并未发现相似的结果，在高浓度成对培养条件下，其中一个物种丰度超过另一个物种，或者在多数情况下，两者都未生长。而在高浓度培养条件下，较高的缓冲浓度抑制了细菌共存的损失，这一结果表明pH是该体系中物种相互作用的主要驱动因素（图1d）。除了pH之外，同样可能存在着其他相互作用的驱动因素，它们独立于pH之外或者和pH一起作用驱动这这种变化。然而，由于添加缓冲液的添加大大降低了高营养浓度下的互斥效应，这说明pH值的变化足以解释所观察到的高营养浓度和低营养浓度之间相互作用的大部分差异。在高营养物质浓度下，但增加复杂营养物质浓度时，也观察到共存的表现出较弱程度的损失。这说明养分浓度的增加会导致更有效的负相互作用，导致物种共存的丧失。
图1 较高的养分浓度导致微生物间的负相互作用。a代表本研究所提出的研究问题：是否能从细菌间简单的相互作用了解复杂微生物群落的生物多样性和稳定性；b代表在较高的营养浓度下，细菌对环境pH的影响更强；c代表在较高的营养浓度下，细菌产生更多的生长抑制环境；d代表高营养浓度降低了成对培养间微生物的共存。
为了探索这些观察如何在复杂的群落中发挥作用，我们采样了几种土壤微生物样本：包括堆肥样本、室内花盆的土壤样本以及后院的土壤样本。如上所述，这些样品在低和高营养浓度两种条件下进行培养。随着时间的推移，我们揭示了低营养浓度和高营养浓度之间的显着差异，在低营养浓度下，我们检测到很多的物种，同时整个体系随时间的变化也比较平稳。然而，在高营养浓度时，群落所表现出的多样性较低，且微生物丰度在几个微生物类群间跳跃（图2）。
图2 养分浓度对土壤微生物动态和组成的影响。
为了直观地了解，在单一培养或共培养条件中所发现的微生物相互作用的性质（图1）是否可以解释观察到的复杂群落的行为（图2），我们建立了一个数学模型（详见公式），其中细菌通过改变环境进行相互作用，同时也受到这些环境变化的影响。
细菌ni以生长速率kgrowth进行逻辑生长，但只有当环境参数P在（POi−PC到POi+PC）范围内时才能生长，其中POi和PC代表细菌可以生长的适宜范围。虽然我们的体系受到pH的强烈影响，但参数P可以是细菌所修饰的并受到影响的环境中几种因素的任何一个或他们之间的相互组合。此外，细菌以速率∈i改变环境参数P，该速率取自区间内的均匀分布（−CP至CP之间）。因此，CP是环境变化的最大幅度。在每个生长周期结束时，体系会被一个恒定的因子稀释。
用这个模型模拟了40个成对相互作用，并通过改变它们改变环境的程度，从而改变他们相互作用的强度，进而得到类似于我们在实验中观察到的结果（图3）。正如实验中所看到的那样，增加环境变化（CP）导致了共培养中微生物共存的缺失（图1d以及图3b）。基于该模型能够概括两两相互作用的结果，我们通过对20个物种的群落进行了上述模拟，从而探究复杂生物群落之间的相互作用结果。增加细菌对环境的改变会导致生物多样性的减少（图3A），这与Lotka-Volterra模型中的类似发现相一致。为了探究我们在低营养浓度和高营养浓度下培养复杂群落的实验中是否也能观察到这种预测的生物多样性减少的现象，我们在实验结束时计算了群落的多样性。我们观察到当营养浓度增加，增加了微生物之间的相互作用强度，导致了生物多样性（图3b）。pH作为图1中成对相互作用的重要驱动因素，相应地，在复合群落中添加缓冲剂也减少了高营养浓度下生物多样性的损失。因此，生物多样性的丧失在很大程度上是由环境pH值的改变推动的，而非添加营养素所造成的有限资源的损失。总的来说，这与我们简单模型预期的相一致，高营养浓度导致更强的环境改造和更强、更负面的相互作用，导致微生物群落中生物多样性的丧失。
生态系统中与生物多样性相关的另一个重要因素是生态系统稳定性。为了了解相互作用强度如何影响微生物群落的稳定性，我们用上述模型进行了模拟，以获得弱相互作用和强相互作用（例如，通过调节Cp对环境的弱和强修改）随时间的总细菌密度（∑ni）。我们的模型预测，在相互作用较强的情况下，总细菌密度的波动要大得多（图4A）。基于总生物量随时间的变化，我们探究了在我们的实验群落中是否存在这种预期的稳定性丧失。与我们的模型预测一致，所有样本在高营养浓度条件下都会引起更强的时间波动（图4A）。除了总细菌密度的波动增加外，该模型还预测，在强烈的环境变化下，环境参数p的波动有所增加（图4B）。与这一预测一致的是，我们在实验中发现，作为中心环境参数的pH随着时间也会产生同样的影响。在高营养浓度时，pH波动很大，而在低营养浓度时，pH随时间保持相对稳定（图4B）。在细菌成分变化方面，模型预测在较高的营养浓度下，成分随时间的波动更大（图4C）。因此，我们发现，正如模型预测的那样，较高的营养浓度会导致总体上更多的负面相互作用，从而导致总生物量、环境和物种组成的稳定性丧失。
图4 强烈的相互作用降低了总生物量、环境以及物种组成的稳定性。a代表中细菌密度随时间的变化；b代表环境波动随时间的变化；c体现出对于弱的相互作用，群落组成相对保持一致，而对于较高的相互作用强度，随着时间的推移，群落成分的变化更为明显。
讨论
生物多样性在生态学中具有最基本的重要性，但有关是什么决定了生物多样性，仍然缺乏清晰的理解。非生物因素会影响生物多样性，但生物之间的相互作用也被认为在决定生态系统的生物多样性方面起着重要作用。难以测定物种间真实的相互作用阻碍着对这一假设的验证。本研究中，我们通过一种调整细菌之间相互作用强度的方法，使我们能够了解相互作用如何影响微生物群落的生物多样性。较高的营养浓度导致了更多的负面微生物相互作用，从而导致群落多样性降低。与微生物系统相比，其他生态系统中的相互作用可能主要不是由环境介导的，我们的发现能在多大程度上反应微生物世界之外还有待进一步探究。在植物群落中，高营养导致遮光现象（这也类似于环境的改变），从而导致生物多样性的丧失。此外，至少在理论上，生物多样性的丧失也被描述为生物彼此之间更强的直接相互作用。
这种多样性丧失的机制让人联想到富营养化，即生态系统中营养物质的过度富集，这往往会导致微生物藻类的大量繁殖。在富营养化的情况下，更强的负面相互作用也受到环境的调节（例如，通过限制光线或氧气），并被认为有可能是造成生物多样性减少的原因。我们的发现表明，富营养化的概念可以扩展到其他微生物系统，如土壤微生物菌群。微生物系统中的这种富营养化甚至可能与医学有关。在人体肠道微生物群中，与富含纤维、低热量的营养相比，西式、高热量和低复杂性饮食与生物多样性的丧失有关。我们推测，由于容易获取的营养物质造成的生物多样性的丧失可能是由于肠道微生物之间相互作用强度的增强所致。
有多种证据表明生物多样性和稳定性之间存在联系。高生物多样性通常（但不总是）伴随着生态系统中更高的稳定性。本研究中，相互作用强度的增加降低了成对共培养和复杂群落中的稳定性，表明稳定性的丧失与微生物系统的初始生物多样性无关。因此，稳定性的丧失似乎不是生物多样性本身直接造成的；相反，生物之间的相互作用强度同时对生物多样性和稳定性产生了负面影响。
实验室条件下使用简单的微生物系统，是研究生态学和进化论的基本原理。然而，由于这些系统的简单性，研究所得成果在多大程度上能够反应在自然生态系统中尚不清楚。本研究中，简单的成对相互作用结果可以为理解复杂系统的生物多样性和稳定性提供一个新的见解。这种令人惊讶的简单性表明，我们不仅有可能了解复杂微生物群落的特性，而且还可以对它们进行突破性的研究设计，进一步探究复杂生态群落中的生物间相互作用。
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