2025年1月14日，《自然·通訊（Nature Communications）》在線發(fā)表了中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所（嶺南現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學(xué)與技術(shù)廣東省實驗室深圳分中心）趙程團隊與山東大學(xué)海洋研究院碳匯團隊林璐課題組的研究論文，題為“Modeling bacterial interactions uncovers the importance of outliers in the coastal lignin-degrading consortium”。該研究通過構(gòu)建的木質(zhì)素降解菌群的代謝網(wǎng)絡(luò)模型，深入探究了菌群降解木質(zhì)素的作用機制。該研究表明，利用計算工具模擬物種間的代謝互作，可以加深對微生物菌群互作機制的理解，加速合成菌群的構(gòu)建。

圖1 | 代謝建模解析物種間的相互作用

木質(zhì)素是地球上一種豐富的碳聚合物，但長期以來，理解其降解過程中復(fù)雜的微生物相互作用一直是一個挑戰(zhàn)。在這項研究中，研究人員通過“自上而下”的富集方法得到了一個海岸木質(zhì)素降解微生物群落。該菌群主要由Pluralibacter gergoviae主導(dǎo)，但也包含了其他稀有的非降解菌。這些非降解菌與P. gergoviae共同培養(yǎng)時，不僅顯著增強了木質(zhì)素的降解效率，還提高了細胞的生長速度。為了闡明這一現(xiàn)象背后復(fù)雜的微生物互作機制，使用基因組規(guī)模的代謝模型（GSMMs）及其相關(guān)算法進行相關(guān)的模擬和預(yù)測。首先，研究人員構(gòu)建了木質(zhì)素降解菌群的群落模型并通過簡約通量平衡分析（pFBA：parsimonious flux balance analysis）篩選出了菌株間潛在的交叉喂養(yǎng)代謝物，為后續(xù)的實驗驗證提供了指導(dǎo)。其次，研究人員利用動態(tài)通量平衡分析（dFBA：Dynamic flux balance analysis）進一步模擬了在四種菌株間不同的亞種群比率下的動態(tài)生長過程。最后，通過GSMMs的預(yù)測結(jié)果與實驗驗證，證明了這些細菌通過氨基酸、有機酸和醇類等代謝物的交叉喂養(yǎng)，形成了一種動態(tài)的協(xié)同作用，從而使木質(zhì)素降解比單菌株降解時更為高效。菌群數(shù)量的比例也會顯著影響木質(zhì)素降解過程中的協(xié)同作用和降解效率。這項研究體現(xiàn)了代謝網(wǎng)絡(luò)模型在理解復(fù)雜微生物相互作用中的強大作用，并為改善如木質(zhì)素增值等可持續(xù)生物煉制中的生物技術(shù)過程開辟了新途徑。

基因組所（大鵬灣實驗室） 研究員趙程、山東大學(xué)海洋研究院博士研究生彭倩楠為該論文的共同第一作者，山東大學(xué)林璐教授為該論文的通訊作者。基因組所（大鵬灣實驗室）博士研究生王聰聰、科研助理程科林共同參與了該研究工作。該研究得到了國家自然科學(xué)基金、國家重點研發(fā)計劃等項目的支持和資助，并為“海洋負排放國際大科學(xué)計劃（ONCE）”作出貢獻。

原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-56012-8