摘要微生物互作塑造人肠道微生物组的组成与稳定性但针对物种-物种生长互作及其背后机制的系统性研究仍十分有限。本研究对 36 株代表性肠道细菌进行条件培养基spent medium测定构建了包含 1224 组两两互作的综合数据集发现当两物种发生互作时大多数表现为抑制性且主要由培养基酸化驱动。为揭示具体互作的生物学基础作者进一步证明产气荚膜梭菌Clostridium perfringens通过细胞外囊泡extracellular vesicles促进古氏地中海菌Mediterraneibacter gnavus的生长同时鉴定出小韦荣球菌Veillonella parvula具有调控环境 pH 的能力从而支持对酸性条件高度敏感的多形拟杆菌Parabacteroides merdae生长该升 pH 效应在鸟嘌呤guanine补充下增强并在包含不同菌门降 pH 菌株的多物种群落中依然维持。尽管 V. parvula 常见于人肠道微生物组但其丰度通常较低考虑到肠道内细菌的空间组织特征V. parvula 的局部 pH 调控可能支持酸敏感菌株的生长。综上本研究呈现的综合数据集与机制洞察为通过整合生长互作来预测微生物组组成提供了起点。Keywords人肠道微生物组物种互作条件培养基细胞外囊泡pH 调控小韦荣球菌产气荚膜梭菌古氏地中海菌多形拟杆菌文献信息Buyanbadrakh, B., Baland, E., Lambeck, P., Perez Jiménez, L., Holmberg, S. M., Puértolas-Balint, F., et al. (2026). Systematic profiling of growth interactions in human gut microbiome species.Nature Communications, 17, 8012. https://doi.org/10.1038/s41467-026-76526-z期刊Nature CommunicationsIF 18.1在线发表2026 年 8 月 7 日研究总结人肠道物种互作系统图谱研究背景微生物互作塑造菌群组成与稳定性两两互作可预测群落行为系统级互作机制研究匮乏技术平台条件培养基测定法36株代表性肠道菌覆盖六大菌门蛋白质组与代谢组机制溯源核心发现1224组互作以抑制为主酸化是主要抑制驱动因素产气荚膜梭菌囊泡促进古氏地中海菌小韦荣球菌升pH救援酸敏感菌意义与展望为菌群组成预测提供数据底座揭示囊泡与pH两类正向机制空间局部互作值得深入研究背景介绍微生物通常生活在复杂群落中群落的组成由组成生物之间的分子互作塑造。物种可能竞争营养物质、向环境或邻近细胞分泌抑制性分子或通过改变化学环境例如降低 pH限制其他物种生长另一方面微生物也可分泌代谢副产物促进他者生长。所有互作的综合效应使得群落在未受强扰动如抗生素处理或饮食改变时具备稳定的组成这种群落韧性对于抵御病原体的定殖至关重要。研究物种互作是预测群落组成及其分子功能的关键。现有方法包括在某一物种预先生长的条件培养基中培养另一物种、将物种对共培养并通过物种特异性 DNA 或蛋白质丰度解析各自生长、或在物理隔离的同时允许分子交换。这些成对互作通常能够预测细菌在群落中的行为但也可通过组装不同复杂度的群落直接研究高阶互作或采用基于基因组代谢能力的计算模型。本研究采用条件培养基方法对 36 株代表性人肠道微生物补充数据 1的成对生长互作进行系统刻画。这些物种覆盖较大的系统发育多样性跨越六大主要菌门并在不同个体中呈现多样的丰度与流行率。作者总体观察到大多数互作具有抑制性且主要由培养基酸化驱动并进一步以产气荚膜梭菌对小韦荣球菌生长的促进为例揭示囊泡机制以及小韦荣球菌通过提升胞外 pH 赋能酸敏感菌株生长这些结果可整合用于预测群落组成并识别调控机制的切入点。重要结果结果1人肠道微生物二元生长互作的总体格局为研究人肠道细菌间的方向性生长互作作者采用条件培养基测定法。首先在富培养基Gifu anaerobic medium, GAM中培养 36 株细菌 24 h收集条件培养基然后将每株菌株分别接种于这些条件培养基或营养补充型条件培养基条件培养基与等体积 2× 浓缩富培养基混合中并以富培养基作为对照。通过连续 48 h 测定 OD600 监测生长采用生长曲线下面积area under the curve, AUC量化生长动态。由于日常滞后期的反复变异Segatella copri 与 Odoribacter splachnicus 被排除在后续生长分析之外但仍在其他菌株的条件培养基上评估其生长因 24 h 后的产量一致。总计测试了 1224 组二元互作。Figure 1 图注A 实验设计示意图菌株在 GAM 中生长 24 h 后收集条件培养基随后用于培养靶标菌株并设富培养基与营养补充型条件培养基对照连续监测 OD600。B 热图展示各菌株在全部条件培养基中的相对生长log2 倍数变化。C 重复实验 AUC 的中位数变异系数分布。D 条件培养基中与富培养基相比变化至少 2 倍的交互数量。E 条件培养基与营养补充型条件培养基实验的比较。F 基于生态学分类的两菌株间互作数量用以识别互逆性。G 若菌株对属于相同分类水平其生长行为间 Pearson 相关系数的分布。以富培养基为基准设定 2 倍变化阈值|log2 倍数变化| 1作者观察到 307 组抑制性互作25.1%以及 51 组生长被促进的互作4.2%。当条件培养基补充营养物质后抑制性互作数量下降逾 8 倍降至 38 组3.1%绝大多数抑制效应变为中性提示大部分抑制互作源于资源耗竭或限制生长的培养基改变如 pH 改变。相比之下较大比例的生长促进互作58 组中的 27 组在营养补充后仍未改变提示潜在的交叉喂养。基于生态学分类大多数互作指向偏害共生amensalism占所有两两互作的 33.5%其次是竞争competition7.8%剥削exploitation仅占 1.8%仅观察到小部分同住共生commensalism6.3%与互利共生mutualism0.36%。系统发育关系更近的菌株对不同条件培养基的反应呈现出更强的相关性且分类学关系越近相关性越强表明分类相似性可能是物种互作及响应他者所塑造代谢环境的一个贡献因素。结果2产气荚膜梭菌通过细胞外囊泡促进古氏地中海菌生长古氏地中海菌Mediterraneibacter gnavus原名 Ruminococcus gnavus在产气荚膜梭菌Clostridium perfringens条件培养基中展现出比标准富培养基更强的生长。为探究该效应基础作者对此条件下生长的 M. gnavus 进行了定量蛋白质组学分析。蛋白质组学图谱揭示从头核苷酸合成相关蛋白丰度降低同时核苷酸代谢与降解通路相关蛋白增加提示 M. gnavus 在 C. perfringens 条件培养基中较少依赖核苷酸合成。然而添加核苷酸碱基、核苷、核糖或核酸均不能促进 M. gnavus 生长鸟嘌呤甚至呈现轻微抑制暗示可能存在更复杂或替代的摄取机制。Figure 2 图注A M. gnavus 在 C. perfringens 条件培养基与富培养基中的生长曲线比较。B M. gnavus 在 C. perfringens 条件培养基相对富培养基中生长的蛋白质组丰度变化。C 添加核苷酸碱基、核苷、核糖及核酸对 M. gnavus 生长的影响相对于富培养基。D C. perfringens 条件培养基中存在的囊泡组分或其纯化后上清对 M. gnavus 生长的影响所有条件在测量前均经煮沸。已有文献报道 C. perfringens 可分泌包含蛋白质、肽聚糖与核酸的膜囊泡。动态光散射在 C. perfringens 条件培养基中观察到平均直径 71 nm 的颗粒而富培养基中颗粒平均直径为 149 nm。通过超速离心从 C. perfringens 条件培养基中分离粗细胞外囊泡组分确认存在平均粒径 58 nm 的颗粒形态学上与富培养基来源的颗粒明显不同具有类似囊泡的中空核心。在富培养基中补充 C. perfringens 囊泡可使 M. gnavus 生长提升 1.4 倍而超速离心后上清经动态光散射分析无可检测颗粒不促进生长囊泡组分经热处理boiling后促生长效应消失且囊泡形态发生改变。这表明加热要么破坏了囊泡结构要么促生长成分对热不稳定。综上C. perfringens 通过释放细胞外囊泡促进 M. gnavus 生长这些囊泡可能便利了囊泡中所包含的核酸成分等促生长成分的摄取。结果3培养基 pH 变化是微生物间互作的关键介导因素由于细菌可改变环境 pH 并受其影响作者研究了单菌条件培养基的 pH 变化如何影响靶标菌株的生长。总体观察到条件培养基 pH 与相对于富培养基的生长 log2 倍数变化呈正相关r 0.49即更低 pH 通常导致生长减弱。该相关性在拟杆菌门Bacteroidota、梭杆菌门Fusobacteriota与假单胞菌门Pseudomonadota中尤其强烈r 0.5前两者在低 pH 下受影响更大而放线菌门Actinomycetota及部分厚壁菌门Bacillota菌株如 V. parvula呈现弱或负相关性。仅基于培养基 pH 即可合理预测每株菌株在各条件培养基中的生长效应r 0.54。Figure 3 图注A 条件培养基中生长变化与条件培养基 pH 的 Pearson 相关性按被培养菌株所属菌门分列。B 基于生长效应与富培养基 pH 之间的线性拟合估算每株菌株在各条件培养基中的生长效应。C 条件培养基与调回 pH 7 的同一条件培养基中生长效应的比较。为直接检验条件培养基 pH 变化是否驱动所观察到的生长差异作者选取 56 对物种组合在调回富培养基 pH 的条件培养基中测量其生长。与营养补充实验类似大多数抑制性互作变为中性。值得注意的是补充营养物质也会提升条件培养基的 pH。总体而言培养基酸化限制了多株菌株的生长尽管抑制程度具有菌株特异性但某些菌门既诱发更强的 pH 降低又对酸性条件表现出更高敏感性。结果4小韦荣球菌具备 pH 中和能力V. parvula 表现出与其他细菌不同的独特行为——其生长被 53% 的其他菌株所促进且在源自长双歧杆菌Bifidobacterium longum、副干酪乳杆菌Lacticaseibacillus paracasei、副唾液链球菌Streptococcus parasanguinis与产气荚膜梭菌的条件培养基中这些培养基将 pH 略微酸化至约 5.8经受最强生长刺激。这促使作者检验 V. parvula 是否具备 pH 中和能力。Figure 4 图注A V. parvula 在不同初始 pH 的富培养基中培养 48 h 后的最终 pH 与总体生长。右侧突出显示初始 pH 5 时的培养基情况。B 在 S. parasanguinis 条件培养基中P. merdae 的生长及该条件培养基经 V. parvula 培养后的 pH 变化。C V. parvula 在 S. parasanguinis 条件培养基相对富培养基中培养的蛋白质组丰度变化差异蛋白丰度通过 limma 经验贝叶斯 moderated 双侧 t 检验分析并采用 Benjamini-Hochberg 错误发现率校正。D 同 A 面板但在调节富培养基 pH 前添加 1 mM 鸟嘌呤或 20 mM 精氨酸。E V. parvula 在 S. parasanguinis 条件培养基中生长后其条件培养基相对富培养基的代谢物水平变化。作者将 V. parvula 培养于调节至不同初始 pH 的富培养基中48 h 孵育后测量 pH 与总体生长。结果显示 V. parvula 提升了培养基 pH在 pH 5 时提升幅度最大最终 pH 升高 0.85 个单位pH 低于 5 时无细菌生长该升 pH 效应随初始 pH 从 5 升至 7 而逐渐减弱提示在酸性胁迫下 V. parvula 试图中和 pH。在 pH 5.8 的 S. parasanguinis 条件培养基中酸敏感菌株多形拟杆菌P. merdae的生长被抑制 1.7 倍而 V. parvula 能将 S. parasanguinis 条件培养基的 pH 适度提升至 6.2将 P. merdae 的生长救援至与富培养基相似的水平证明了 V. parvula 可提升培养基 pH从而减轻酸敏感菌株的酸驱动生长抑制。为探究 pH 升高的机制作者量化了 V. parvula 在 S. parasanguinis 条件培养基与富培养基中的蛋白质组发现在条件培养基中精氨酸生物合成、鸟嘌呤脱氨酶将鸟嘌呤转化为黄嘌呤并释放氨与黄嘌呤通透酶相关蛋白丰度增加。添加鸟嘌呤可导致更强的 pH 升高从 pH 5 起始时升高 1.8 个单位而添加精氨酸的效应与单独富培养基类似。代谢物定量显示V. parvula 在 S. parasanguinis 条件培养基中生长后嘌呤代谢发生变化——鸟嘌呤、鸟苷、腺嘌呤、次黄嘌呤与肌苷增加腺苷减少精氨酸水平降低而瓜氨酸、鸟氨酸、天冬氨酸与谷氨酰胺升高。鉴于 V. parvula 发酵有机酸获取能量例如链球菌产生的乳酸所观察到的 pH 升高可能反映了胞外有机酸的减少。综上V. parvula 提升了胞外环境的 pH该效应被鸟嘌呤放大这种 pH 中和特性可救援尤其受低 pH 影响的物种如拟杆菌门的生长。结果5小韦荣球菌的 pH 中和效应在群落组成中发挥重要作用为探究 V. parvula 中和培养基 pH 的能力是否在群落环境中发挥作用作者组装了由 V. parvula、P. merdae酸敏感菌株与一株酸化菌株组成的三成员群落选取了四株系统发育多样的酸化菌株来自厚壁菌门的 S. parasanguinis 与 L. paracasei、来自放线菌门的爱青春双歧杆菌Bifidobacterium adolescents以及来自拟杆菌门的卵形拟杆菌Bacteroides ovatus。Figure 5 图注A 三成员群落组成示意图展示在不添加或添加鸟嘌呤条件下的实验设计。生长通过将群落的 OD600 乘以 qPCR 确定的 P. merdae 在群落中的相对丰度分数来计算。C 不同培养物随时间的 pH 变化。在所有与酸化菌株的共培养中P. merdae 的生长均出现下降且 pH 降低相较其单培养状态更为显著。B. ovatus 的生长速率略高于 P. merdae导致 pH 下降比其他酸化菌株更强进而在共培养中阻止了 P. merdae 的生长。向这些群落中添加 V. parvula 始终能增强 P. merdae 的生长并提升 pH证明了 V. parvula 在不同群落环境中提升环境 pH 并促进低 pH 敏感菌株生长的能力。由于作者已确定鸟嘌呤可增强 V. parvula 的 pH 提升能力因此在群落中评估了其作用——正如预期在存在 V. parvula 的群落中添加鸟嘌呤促进了 P. merdae 的生长并提升了 pHB. ovatus 群落因前述原因除外。综上V. parvula 在群落中支持低 pH 敏感菌株的生长且该效应通过添加鸟嘌呤得以放大。方法学参考本研究的方法体系可概括为以下条件培养基多模态测定流程关键技术细节已在原文 Methods 部分系统阐述。36株人肠道菌在GAM中厌氧培养24h2000×g离心30min0.2μm过滤获取条件培养基靶标菌株接种于条件培养基或营养补充型条件培养基Cerillo Stratus酶标仪连续48h监测OD600AUC量化生长log2倍数变化计算筛选显著互作对进入机制解析定量蛋白质组学溯源M.gnavus促生长机制动态光散射负染电镜超速离心分离囊泡LC-MS定量氨基酸与核酸组分三成员群落共培养qPCR定量丰度差异蛋白推断代谢通路重编程可供同行借鉴的关键技术要点包括条件培养基标准化制备0.2 μm 过滤除菌 4 ℃ 2000×g 离心 30 min确保无细胞污染营养补充对照设计50% 条件培养基与 50% 2× 浓缩 GAM 混合区分资源耗竭与主动抑制AUC 整合生长速率与生物量采用梯形法计算生长曲线下面积避免单一时间点度量的偏差pH 回调对照将条件培养基 pH 调回富培养基水平直接验证酸化是否为抑制主因囊泡分离与鉴定100,000×g 超速离心 4 h 获取粗囊泡组分动态光散射与负染电镜双重表征TMT 标记定量蛋白质组SP3 协议消化 高 pH 反相分级 Orbitrap Exploris 480 采集MSFragger 检索LC-MS 多重反应监测AccQ-Tag 衍生化氨基酸 三重四极杆 MRM 模式定量核酸组分群落丰度 qPCR 解卷积绝对基因拷贝数标准曲线法按基因组拷贝数校正各物种相对丰度总结本研究对一组代表性人肠道微生物的所有两两生长互作进行了系统测量构建了包含 1224 组互作的综合数据集。受可扩展性限制分析仅限于成对互作但两两互作通常能够预测群落的整体组成。作者采用条件培养基方法该方法虽忽略了接触依赖性机制但便利了生长测量特别是基于蛋白质组学或代谢组学的方法溯源。所有实验在富培养基中进行忽略了肠道中存在的特定营养物质及与宿主的互作但该方法适用于其他培养基未来可实现更多互作机制的发现。研究结果表明负相关互作普遍盛行这与先前研究相符。菌株在亲缘关系较近的分类群衍生的条件培养基上往往生长更差这可能反映了对相似代谢生态位的竞争。对于多对菌株组合条件培养基的低 pH 是抑制的主要驱动因素。虽然细菌在肠道中形成生态位但仍待阐明这种空间隔离是否足以产生局部 pH 环境抑或被肠道所缓冲。因此区分非 pH 变化驱动的抑制性互作十分重要——例如在将 pH 调回中性后脆弱拟杆菌B. fragilis与单形拟杆菌B. uniformis的条件培养基仍能抑制产肠毒素脆弱拟杆菌B. fragilis ET与黏液阿克曼菌A. muciniphila菌株的生长提示前者产生了抑制后者的因子。筛选中识别出的其他特定互作与既往体内观察结果一致。例如作者检测到产气荚膜梭菌条件培养基对多株菌株的强烈抑制效应与这一机会性病原体降低微生物组多样性的作用相符作者还确定 M. gnavus 的生长可被梭菌纲另一物种的囊泡促进鉴于 M. gnavus 已知通过膜囊泡与同物种其他成员交换 DNA这种机制有可能延伸至其他近缘物种。本研究突出了小韦荣球菌提升环境 pH 并促进低 pH 敏感菌株生长的能力这解释了这一高流行超过 50% 的人肠道微生物组含有该物种、但低丰度通常在肠道微生物组中丰度 1%物种在群落中的作用。该物种的 pH 提升能力可通过添加鸟嘌呤增强鸟嘌呤同时也促进其生长。当 V. parvula 在 S. parasanguinis 条件培养基中生长时鸟嘌呤脱氨酶与精氨酸通路上调可能指向对这些代谢物的有限获取。鉴于 S. parasanguinis 已知具有强精氨酸分解能力这一发现具有生物学合理性。总之本研究提供了一份关于人相关肠道细菌互作的综合数据集。通过测量一株菌株在另一菌株条件培养基中相对于富培养基的蛋白质组或代谢组变化以在分子水平提示互作机制的方法可应用于其他已识别的互作。理解互作背后的机制能够为理性操控肠道微生物群落提供策略。参考文献Buyanbadrakh, B., Baland, E., Lambeck, P., Perez Jiménez, L., Holmberg, S. M., Puértolas-Balint, F., et al. (2026). Systematic profiling of growth interactions in human gut microbiome species.Nature Communications, 17, 8012. https://doi.org/10.1038/s41467-026-76526-z原始生长数据https://zenodo.org/records/17456178蛋白质组学质谱数据PRIDE数据集标识 PXD070029代谢组学质谱数据MetaboLights数据集标识 MSV000102556生长测定数据分析代码https://github.com/mateuslab-prot/SpeciesSpeciesInteractionshttps://doi.org/10.5281/zenodo.21494737
