使用合成反硝化菌群探索微生物生态系统稳定性机制

Ecosystem stability has been a spotlight in ecology and evolutionary biology, but our understanding of ecosystem stability mechanisms remains elusive. Synthetic microbial ecology aims to design microbial systems using engineering strategies, and is considered as an ideal approach for studying ecosystem stability due to their known composition and genetic background. Denitrifying bacteria exist in the environment with a large number of species and strains in all main phylogenetic groups, and play an important role in global nitrogen cycling, thus we use denitrifying bacteria to construct synthetic microbial communities in this study. Our previous studies showed that diverse denitrifying bacteria could co-exist and remediate highly contaminated sites. In this proposed study, we first develop a five-level selection strategy to construct synthetic denitrifying communities using isolates with genome sequences available for understanding microbial ecosystem stability mechanisms. Also, we will specifically test the diversity-stability relationship using synthetic denitrifying communities at five diversity levels (1, 2, 4, 8 and 16 species) in response to environmental disturbances (elevated temperature, salinity, and metal concentrations). Furthermore, we will evolve previously stabilized communities under control and elevated Cr conditions, analyze changes in their genes and genomes, link phenotypes with genotypes, and further elucidate long-term microbial ecosystem stability mechanisms. This study aims to reveal possible ecosystem stability mechanisms via synthetic microbial ecology approaches, and provide novel insights into environmental management and industrial production with synthetic microbial communities.

生态系统稳定性及其相关机理一直以来都是生态学和进化生物学关注的热点。合成微生物生态学使用合理的工程策略构建微生物群落。现今，对反硝化细菌已有深入研究，其种类多、分布广，在环境中起有重要作用，是构建合成微生物群落的理想选择。我们前期研究表明这些细菌能够长期共存且起到环境修复的功能。在此研究中，我们首先设计五级筛选标准, 用合成微生物生态学方法构建遗传背景清晰的反硝化细菌群落，传代至群落稳定以揭示稳定群落形成的机制。随后通过外界扰动分析合成群落多样性与稳定性的关系。最后选取稳定群落在重金属铬压力下进行长期实验室进化，并通过多种组学手段分析表现型和基因型的关系，进一步阐明维持微生物生态系统长期稳定性的机制。本研究不仅创新微生物生态学理论，而且为合成微生物学在环境治理及工业生产中的应用提供科学依据。

生物多样性对生态系统功能和服务至关重要，宏观生态系统中存在生物多样性-生态系统功能（BEF）的正、负或中性关系。然而，在微生物系统中，是否存在BEF关系以及它如何演化尚不清楚。该项目利用五级筛选标准，选择了32株反硝化细菌，构建了丰富度梯度、物种亲源关系不同的多种合成反硝化微生物群落，通过长期实验室进化研究了生物多样性对群落功能和稳定性关系及其机制。(1) 构建了1~12个Shewanella物种丰富度 (Richness) 梯度的合成反硝化微生物群落，并将其进行长期实验室进化200~300代。结果表明，微生物多样性与微生物群落功能（生产力和反硝化速率）的之间呈正相关关系, 实验室长期进化促进了这些合成微生物群落功能的增强。(2) 利用进化了300代的稳定合成反硝化菌群落，分析了其生产力、硝化功能和群落组成，解析了热扰动对群落稳定性的影响。结果表明，合成反硝化群落在受到热干扰后生产力降低，但反硝化功能反而提高。(3) 构建了具有10个物种的亲缘关系近和远的合成反硝化菌群落，研究了物种多样性和长期实验室进化对微生物群落功能和基因表达等分子机制。结果表明，系统发育距离与反硝化微生物群落功能正相关，系统发育距离大的反硝化微生物群落随进化更稳定，并在群落中物种存活率更高。进一步分析1种和10种反硝化微生物群落的RNA-Seq转录组数据表明，反硝化菌在对数期基因的表达水平普遍高于稳定期；单独（1种）培养或混合培养（10种）的反硝化群落在进化前和进化后表达模式存在显著差异；在混合培养的状态下，Paracoccus denitrificans的表达水平较其他菌强势，且高于该菌单独培养的表达水平。本项目解析了微生物多样性与群落功能和稳定性的关系，阐明了长期实验室进化对群落功能和稳定性的影响，探索了合成反硝化群落物种间互作机制，为系统研究合成微生物生态学提供了新的资源、理论基础和技术支撑。