微观世界的详细地图：微生物生态位

是什么定义了微生物的栖息地 - 生态位？它是温度、湿度和营养成分等环境因素的组合。很难预测每一个因素的确切贡献度。Bas E. Dutilh研究组基于生活在一起的微生物群体，重新定义了微生物生态位。

无论是在温泉、人体肠道还是深海中，微生物几乎在地球上的每个地方定居，有时是在极端条件下。根据这些生物如何适应生态位中的特定环境条件，生态学家将它们归类为“广谱微生物” (Generalist) 或“特异微生物” (Specialist)。广谱微生物可以在广泛的环境条件下生存，特异微生物只有在非常特殊的环境下才能成长。

“研究这种不同微生物策略的一个关键问题是如何首先定义微生物生态位，”Bas E. Dutilh教授说。到目前为止，这主要是基于主观环境参数完成的，不允许对生态位进行无偏量化。因此，来自耶拿大学卓越集群“微观宇宙平衡”的生物信息学家与乌得勒支大学的研究人员一起，使用了一种新颖的数据驱动方法来描述微生物生态位，其中物种群落本身而不是外部栖息地条件被认为是决定性的环境因素。这是有效的，因为微生物群落可以迅速适应环境，因此它们的组成反映了所有环境因素的总和。

大多数微生物栖息地由广谱微生物（Generalists）主导

研究人员分析和量化了来自世界各地的不同微生物样本的数千个宏基因组数据集。“我们发现，在大多数栖息地，广谱微生物占主导地位，”Dutilh说。研究人员最初对这一发现感到惊讶，因为他们认为在当地的生态位中，特异微生物 (Specialists) 可能会占优势，因为他们更适应当地条件。但研究发现，相互竞争的广谱微生物（Generalists）可以增长得更快，从而在生态位获得主导地位。“不过，对于广谱微生物来说，这是命中注定的，他们要么成功，要么失败。这使得不同物种的出现率变化很大。特异微生物在他们的生态位更稳定，尽管丰度很低。

还有一个意料之外的结果：广谱微生物的基因组并不是特别大。“先前的假设认为代谢灵活性通常需要更大的基因组，”Dutilh说道。但事实证明，生态位范围和基因组大小之间的相关性更为复杂。“我们发现了两种截然不同的进化策略：在当地生物多样性相对较低的栖息地，例如动物相关 (animal-associated) 的微生物组，特异微生物们的基因组相对较小。在土壤等高度生物多样性的栖息地，特异微生物的基因组要大得多。”

广谱微生物的基因组比特异微生物的基因组更具可变性，基因在进化过程中不断出现与消失。这使他们能够通过水平基因转移整合来自其他生物的遗传信息，从而迅速适应当地的生态位。“我们还发现了与广谱微生物基因组中基因水平转移相关的特定功能，”Dutilh说。与特异微生物相关的功能更加多样化，通常与非常具体的代谢过程有关。与广谱微生物不同，特异微生物的基因组在进化上是稳定的。

“总之，我们的分析为整个微生物生命树的微生物生态位界定方法提供了新的、意想不到的线索，”Bas E. Dutilh确信的说。

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https://www.sciencedaily.com/releases/2023/04/230404114309.htm

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https://www.nature.com/articles/s41559-023-02027-7