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《PNAS》南京农业大学：微生物多样性塑造土壤动物体型大小的生态学机制

来源：花匠小妙招时间：2024-12-21 04:25

本文首发于“生态学者”微信公众号！

近日，南京农业大学资源与环境科学学院沈其荣院士/胡锋教授课题组揭示了微生物多样性塑造捕食者体型大小的生态学机制，挑战了传统微型生态系统中捕食-被捕食关系以毒性为主导的假说。相关成果以题为“Metabolites limiting predator growth wane with prey biodiversity”发表在国际权威期刊《PNAS》(www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2410210121)。

捕食-被捕食关系是生态系统适应性演化和功能的重要驱动力。然而，在复杂的土壤微生物群落中，传统观点认为有毒代谢物是决定捕食者生长的关键因素。本研究基于122种已测序的细菌组成的合成群落，设计了单一物种到50种物种的多样性梯度，并引入4种线虫捕食者，通过测量超过15,000个线虫个体，系统探索了微生物群落特征对捕食者体型大小的影响 (图1)。

图1 细菌物种和系统发育关系决定了线虫捕食者的体型分布。(A) 系统发育树和热图显示122种细菌对四种线虫体型的影响。(B) 直方图显示四种线虫在122种细菌中的体型分布（样本量为9790个个体）。(C) 线虫体型在四种细菌门中的比较。

研究发现：1）单一细菌物种使得线虫体型大小分布异质性大，随着细菌多样性的增加，线虫体型大小变异减弱 (图2)；2）单一细菌物种环境下，细菌的次生代谢物是捕食者体型的主要决定因素，在高细菌多样性环境中，有害次级代谢产物的重要性显著下降，细菌的体型大小成为预测捕食者体型的关键因素 (图3，图4)；3）捕食者更倾向于捕食大型微生物，这是捕食者适应多样性环境的生态学策略 (图3)，体现了捕食者与猎物间的“大小匹配”关系。

图2 线虫体型的变异随着细菌物种多样性的增加而减小。(A) 不同细菌物种多样性条件下的捕食者-猎物相互作用的试验设计。(B) 四种细菌多样性条件下的线虫体型分布。

图3 细菌特性在不同细菌多样性水平下驱动线虫体型的作用。基于广义线性混合模型(GLMM) 预测细菌特性对线虫体型的影响，包括单一培养 (多样性水平为1, A) 和混合培养 (多样性水平为5、15和50, B)。

图4细菌次生代谢物对线虫体型的影响随细菌物种多样性的增加而减弱。(A) 实验设计以评估细菌次生代谢物对线虫体型的影响，实验中分别暴露于单一的GFP标记的PSE10，以及包含5种、15种和50种细菌多样性组合的GFP标记PSE10环境中。(B) 线虫在不同细菌多样性条件下的体型变化。(C) 在培养基中检测到的GFP标记PSE10的荧光强度。(D) PSE10在线虫肠道中相较于培养基的荧光倍数变化。(E) PSE10在单独培养或混合培养条件下产生的2,4-二乙酰基间苯三酚（2,4-DAPG）物质的定量分析。(F) 有毒次生代谢物2,4-DAPG对C. elegans体型的影响。

这一突破性研究首次揭示了捕食者与猎物之间的性状依赖性互作在微生物多样性梯度下的动态变化，挑战了传统微型生态系统中以毒性为主导假说，并强调在多物种生态系统中，捕食者-被捕食关系更易受被捕食者体型等形态特征的驱动。该研究不仅为土壤微生物食物网的动态预测提供了新的视角，还为基于基因组数据的精准营养网络模型的构建奠定了基础。

本研究由沈其荣院士团队和胡锋教授团队合作完成。沈其荣院士团队李根博士后为论文第一作者，胡锋教授团队刘婷副教授为论文通讯作者，韦中教授、李辉信教授、Alexandre Jousset教授和加拿大麦吉尔大学Joann K. Whalen教授共同参与并指导了此项工作。该研究得到了国家重点研发项目(2022YFD1500302) 和国家自然科学基金 (32201399, 3217640) 的资助。