原文链接：https://besjournals.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/2041-210X.13894

摘要

1. 任何微生物群落的组成、结构和功能的核心都是复杂的物种相互作用网络。但理解生态相互作用网络的复杂性一直具有挑战性，至少部分原因是缺乏有效的工具来解开自然或人工微生物群落中的物种相互作用。

2. 在这项研究中，我们开发了一个微生物实验系统，可以快速生成具有可编程生态相互作用的微生物群落。我们工程化模型生物大肠杆菌来构建基于代谢和群体感应的模块。这两个工程模块用于创建具有协同、竞争和剥削关系的合成微生物群落。

3. 我们发现，在特定的初始接种条件下，每个合成微生物群落都表现出独特的种群动态模式。我们还证明了通过调整这两个工程模块，基于相同配对菌株的剥削和竞争或协同类型之间的转换是合理的。我们最终建立了数学模型，以定量捕捉实验观察到的这些合成微生物群落的种群动态。

4. 这种方法为工程微生物系统提供了一个新的视角，可以通过更大的控制和操纵来实验性地测试生态问题。

图1 具有正向和负向结果的工程模块。（A）可通过六种成对相互作用网络大致剖析的微生物群落示意图。（B）成对相互作用伙伴的正向 (+) 和负向 (-) 结果。（C）具有正向结果的工程模块示意图。过量生产者为营养缺陷型提供营养缺陷型生长所需的氨基酸 (Arg)。十字表示基因敲除。黄色椭圆表示代谢物 (Arg)。（D）在单独的 M9 培养基 (M9)、添加了 WT 上清液 (+WT)、过量生产者 ΔargR 上清液(+ΔargR) 或精氨酸 (+Arg) 的 M9 培养基中培养的营养缺陷型 ΔargA 的生长。（E）具有负向结果的工程模块示意图。发送者产生信号分子 (AHL)，这些分子被接收者感知，然后在 IPTG 存在的情况下激活 ccdB 基因的表达，从而抑制接收者。青色三角形，信号分子 (3OC₁₂HSL)。 (F) 仅在 M9 培养基 (M9)、添加 IPTG (+IPTG) 、含有信号分子的发送者上清液 (+S) 或 IPTG 和 S 的组合 (+IPTG+S) 的 M9 培养基中培养的接收者的生长情况。数据代表平均值 (n = 4) ± SEM。不同的字母表示统计上显着差异（LSD 事后检验）。

图2 具有明确相互作用的合成微生物菌群。（A）单向协同（+/）菌群示意图。过量生产者（ΔargR）向营养缺陷型（ΔtrpR-ΔargA）提供精氨酸，但没有回报。（D）干扰竞争（−/）菌群示意图。发送者（S-ΔleuL）通过添加 IPTG 抑制接收者（R-ΔargR）的生长。（G）双向协同（+/+）菌群示意图。ΔtrpC-ΔargR 向 ΔtrpR-ΔargA 提供精氨酸，以换取色氨酸，反之亦然。（J）竞争（−/−）菌群示意图。两个ΔmetJ（过量生产蛋氨酸 (met)）和 ΔargR过量生产者竞争共同资源。（M）剥削（+/−）菌群示意图。 S-ΔargA（Arg 营养缺陷型发送者）从 R-ΔargR（Arg 过量产生的接收者）获得 Arg，同时在 IPTG 存在下抑制 R-ΔargR 的生长。（B、E、H、K 和 N）单培养实验中两种菌株的生长形成协同 (+/) (B)、干扰 (−/) (E)、协同 (+/+) (H)、竞争 (−/−) (K) 和剥削 (+/−) (N)。（C、F、I、L 和 O）共培养实验中两种菌株的生长形成协同 (+/) (C)、干扰 (−/) (F)、协同 (+/+) (I)、竞争 (−/−) (L) 和剥削 (+/−) (O)。数据代表平均值 (n = 3) ± SEM

图3 通过调整正 (A)、负 (B) 或正负 (C) 模块组合来转变生态相互作用。 (A–C) 形成剥削 (+/−) 菌群（见图 2m）的两种菌株（S-ΔargA 和 R-ΔargR）被用于构建干扰竞争 (−/) (A)、单向协同 (+/) (B) 或竞争 (−/−) (C) 菌群。 (A) 两种菌株共培养，添加 Arg 和 IPTG（底部）。添加 Arg 会抑制正模块。 (B) 两种菌株共培养，不添加 Arg 和 IPTG（底部）。没有 IPTG 的存在，负模块得到缓解。 (C) 两种菌株共培养，添加 Arg（底部）​​。正模块被 Arg 添加抑制，而负模块在没有添加 IPTG 的情况下得到缓解。虚线表示调整后的正或负模块。数据代表平均值 (n = 3) ± SEM

图4 不同初始条件下合成剥削性（+/−）菌群的种群动态。（A 和 B）在低（A，8 × 10³ 细胞/μl）和高（B，8 × 10⁴ 细胞/μl）初始细胞密度下，以 1:1 的比例共培养 S-ΔargA 和 R-ΔargR。（C 和 D）在初始 S-ΔargA/R-ΔargR 比率为 40:1（C）和 1:40（D）下，以总初始细胞密度为 4 × 10⁴ 细胞/μl 共培养 S-ΔargA 和 R-ΔargR。图 2o 显示了以 1:1 的比例和中等初始细胞密度（4 × 10⁴ 细胞/μl）共培养的两种菌株。数据代表平均值（n = 3）± SEM

图5 模型模拟了不同相互作用类型的微生物群落的种群动态。（A 和 B）使用模型 I（A）和 II（B）模拟干扰竞争（−/）、剥削（+/−）、单向协同（+/）、双向协同（+/+）和竞争（−/−）的微生物群落的种群动态。（C）使用模型 III 模拟干扰（−/）和剥削（+/−）的微生物群落的种群动态。（D）三个模型的赤池信息准则 (AIC) 值比较。