植物、动物和人类都是许多微生物如细菌和真菌的家园。它们形成了复杂的群落，对宿主的健康产生深远的影响。一个值得注意的微生物群是人类肠道的微生物群，它有助于消化我们的食物并保护我们免受病原体的侵害。
植物的根和叶子上也是微生物群落的宿主。这些群落可以促进生长，防止有害细菌。因此，植物微生物群具有使农业更具可持续性的潜力。然而，我们目前对形成这些微生物群落的种间相互作用只有初步的了解。
为什么这些群落往往只有某些种类的微生物而不是其他种类的微生物?苏黎世联邦理工学院的微生物学教授Julia Vorholt说:“我们已经知道，叶子微生物群不仅仅是一些随机的微生物集合。”“但决定这些群落如何形成的规则，以及形成它们的机制，仍有待发现。”
现在，由Vorholt领导的一个研究小组已经确定了生活在模式植物拟南芥(拟南芥)叶子上的细菌的组织原则。研究人员开发了一套模型，利用单个细菌菌株的营养偏好和代谢能力来预测这些叶片表面微生物如何相互竞争或合作，从而帮助我们更好地了解所产生的微生物组的性质。
该研究小组的研究是与EPFL的同事合作进行的，发表在最新一期的《科学》杂志上。
资源竞争导致不同的相互作用
作为先前工作的一部分，Vorholt的小组已经证明，植物叶片上发现的微生物群落非常相似。Vorholt说:“这些群落的一致组成表明了一种控制叶片微生物群形成的潜在机制。”
Martin Schäfer是Vorholt小组的博士后，也是这项研究的共同主要作者，他解释说:“因为所有的细菌最终都依赖有机分子作为食物，我们想知道我们是否可以通过知道它们可以代谢哪些食物分子来预测它们相互作用的方式。”
Alan Pacheco补充说:“在竞争环境中，食物生态位可以导致稳定的共存和合作，微生物通过交换资源来相互作用，从而实现互利。”
Vorholt和她的团队提出的指导性问题是:能否利用不同细菌的代谢能力来理解叶片微生物群是如何形成的?
碳分布揭示了资源竞争
为了回答这个问题，研究人员首先测试了来自拟南芥叶片的200多种具有代表性的细菌菌株在45种不同碳源下的生长能力。利用这些碳谱，他们确定菌株的食物生态位之间存在广泛的重叠。这表明资源竞争非常激烈。
然后，研究人员利用这些碳谱为所有细菌菌株建立了一套可靠的代谢模型，并模拟了超过17,500对细菌之间的相互作用。与食物生态位的广泛重叠相一致，模拟显示了负相互作用的显著优势:当竞争导致两种菌株中至少一种的种群减少时。
以合作回避竞争
尽管存在这种普遍的竞争，代谢模型也预测了积极的相互作用。进一步的分析表明，这些合作的相互作用可以追溯到有机和氨基酸的交换。该研究的作者进行了植物实验来测试模型的预测，并能够以89%的准确率证实它们。
这些模型的准确性甚至让研究人员自己都感到惊讶:“高度的可靠性表明，我们最初关于代谢特征重要性的假设是正确的，”帕切科说。
利用微生物群落进行应用
“我们的模型的伟大之处在于，它们也可以反向工作，”Vorholt说，“因为它们可以用来识别触发某些交互模式的机制。”这为目标微生物组设计铺平了道路，这是农业下游应用的关键先决条件。
目前，种子公司和农用化学品生产商使用试验和错误的过程来寻找可持续支持作物保护的微生物。因此，该团队的发现不仅与基础研究有关，而且与农业微生物组设计的应用有关。
Vorholt是瑞士国家微生物组研究能力中心(NCCR)的联合主任。她的团队目前的研究进一步推动了一个由20个小组组成的网络的研究，其目标是了解微生物群——从植物到人类——以便实现它们对健康、农业和环境的巨大潜力。
这可以通过，例如，用正确的微生物补充不平衡的群落，去除某些物种，甚至用具有特殊功能的细菌组合治疗疾病来实现。预测模型将在这一目标中发挥关键作用。
