Nature子刊：逾半数土壤细菌无法独立生存，代谢互补成关键 | 热心肠日报

为了探究细菌间的代谢依赖，研究团队从德国耶拿周边的九处土壤中，采集了27个土壤微粒群落。他们从中分离出6931株细菌，并逐一测试其在缺乏氨基酸、维生素或核苷碱基的培养基上的生长能力。

结果令人震惊：在不同群落中，高达10%至50%的细菌表现为营养缺陷型，即无法自主合成某些生长必需物质。其中，氨基酸缺陷最为普遍，中位数比例高达16%，而维生素和核苷碱基缺陷则相对少见。更令人意外的是，在氨基酸缺陷型菌株中，约73%需要同时补充多种氨基酸才能生长，有些甚至需要全部20种氨基酸。其中，对缬氨酸、亮氨酸和异亮氨酸这些支链氨基酸的依赖最为常见。

为什么这些细菌会放弃关键的合成能力？通过对62个代表菌株的基因组进行测序分析，研究团队找到了潜在的分子机制。对比发现，营养缺陷型菌株的基因组中，基因编码密度显著更高，这意味着它们的基因组更为“精简”，这一特征常与基因组流线化相关。

更关键的发现是，插入序列（IS）在缺陷型菌株的基因组中显著富集。插入序列是一种能在基因组中“跳跃”的DNA片段，它们可以插入基因内部导致功能失活，或通过影响基因调控来沉默合成通路。这为解释为何许多菌株虽保留完整合成基因却仍表现出营养缺陷，提供了合理的谜底。

一个值得深思的发现是，当前最先进的基因组规模代谢模型（GEMs）和基因组注释方法，在预测这些菌株的氨基酸缺陷时表现不佳。模型仅能正确识别7.5%的实验验证缺陷型，且所有错误均为“假阴性”——即模型预测菌株能够自主合成，但实验证明它不能。研究团队推测，这可能是因为许多缺陷并非由基因缺失引起，而是源于调控层面的沉默，而现有模型尚无法捕捉这些复杂的调控现象。这一结果有力地表明，培养组学等实验方法在解析微生物生理功能时，仍具有不可替代的核心地位。

如果这么多细菌都无法自给自足，它们是如何在土壤中生存的？答案指向了代谢交叉喂养。研究人员从同一土壤微粒中挑选了19株缺陷型和22株原型菌株，进行了大规模的两两共培养实验。

结果显示，超过84%的缺陷型菌株，能在至少一种原型伙伴的陪伴下恢复生长，而在缺陷型菌株两两配对时，也有超过30%能相互促进生长。这表明，群落成员通过分泌并交换氨基酸等代谢物，构成了一个支持系统。计算模型进一步预测，对于那些需要多种氨基酸的菌株，其生长往往需要多个合作伙伴的共同供养，而非仅仅依赖单一供体。随后的合成菌群实验也证实，随着群落成员数的增加，代谢互补的成功率也随之上升，三菌组合的互补率达到57%，四菌组合则高达75%。

这项研究描绘了一幅全新的土壤微生物生态图景：细菌并非我们想象中那样，是代谢上完全自主的单元。它们更可能存在于一个由交叉喂养关系构成的整合代谢网络中，彼此依存，共同生存。这种强制性的代谢互助，或许是塑造土壤微生物群落结构与功能的一种核心力量。