[論文レビュー] Nutrient levels and trade-offs control diversity in a model seasonal ecosystem

Amir Erez, Jaime G Lopez+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 24, 2019

Evolution and Genetic Dynamics被引用数 2

ひとこと要約

本研究では、代謝的トレードオフが、季節的エコシステムの連続希釈モデルにおいて高い微生物多様性を可能にすることを示している。栄養素供給量が多様性を厳密に制御しており、これはトレードオフの正確さ、クロスフィーディング、移住、あるいは進化の有無に依存する。化学連続培養モデルとは異なり、ここでの多様性は無制限ではなく、文脈依存的である。これは普遍的な栄養素-多様性関係に疑問を呈する。

ABSTRACT

Microbial communities feature an immense diversity of species and the extent of this diversity correlates with outcomes ranging from ecosystem stability to medical prognoses. Yet the mechanisms underlying microbial diversity are not well understood; simple resource-competition models do not allow for coexistence of a large number of species. However, it was recently shown that metabolic trade-offs can lead to unlimited diversity in a chemostat model. Do such trade-offs permit diversity under more realistic, intermittent conditions of nutrient supply? Here, we demonstrate that in serial dilution culture, metabolic trade-offs allow for high diversity. Unlike the chemostat case, diversity depends on the amount of nutrient supplied to the community. The form of this dependence varies with the precision of trade-offs and the presence of cross-feeding, immigration, or evolution. The large variation seen in this simple model suggests that real ecosystems may not obey a single universal relationship between nutrient supply and diversity. To connect to real microbial communities, we validate our model framework against previously published Escherichia coli batch and chemostat experiments and outline potential future experiments to test the model's multispecies predictions.

研究の動機と目的

• 間歇的栄養供給、すなわち季節的またはバッチ環境において、代謝的トレードオフが高水準の微生物多様性を維持できるかどうかを調査すること。
• トレードオフ、クロスフィーディング、移住、あるいは進化を含むモデルにおいて、栄養素供給量が多様性に与える影響を特定すること。
• E. coliのバッチおよび化学連続培養実験から得られた実証データと、モデルの予測が一致するかどうかを検証すること。
• 現実的で連続的でない栄養素レジーム下で、多様性が最大化または制限される条件を同定すること。

提案手法

• 季節的栄養パルスを模倣する連続希釈下での微生物群集ダイナミクスの数学的モデル。
• 種がリソース摂取効率と増殖速度で異なる代謝的トレードオフを組み込む。
• 代謝的クロスフィーディング、移住、進化的適応を動的変数として含む。
• サイクルにわたる集団動態と栄養素消費を記述するための常微分方程式の使用。
• 出版済みのE. coliバッチおよび化学連続培養実験データと、モデル出力を照合して検証。
• 栄養素供給量、トレードオフの正確さ、およびコミュニティパラメータに対する多様性の感度分析。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 代謝的トレードオフは、間歇的栄養供給を伴う連続希釈システムで、高水準の微生物多様性を維持できるか？
• RQ2 1サイクルあたりの栄養素供給量が、トレードオフの存在下でコミュニティの多様性にどのように影響するか？
• RQ3 クロスフィーディング、移住、あるいは進化は、栄養素供給と多様性の関係をどのように変化させるか？
• RQ4 モデルは、E. coliバッチおよび化学連続培養から得られた既知の実験的パターンを再現できるか？
• RQ5 栄養素供給と多様性の間には普遍的な関係があるのか、それとも生態的文脈によって変動するのか？

主な発見

• 化学連続培養モデルとは異なり、代謝的トレードオフが連続希釈培養で高水準の多様性を可能にする。
• 多様性は、トレードオフの有無だけでなく、1サイクルあたりの栄養素供給量に強く依存する。
• 栄養素供給量と多様性の関係は、トレードオフの正確さ、クロスフィーディング、移住、進化的ダイナミクスの有無によって変化する。
• モデルは、E. coliバッチおよび化学連続培養で観察された実験的多様性パターンを的確に再現した。
• 普遍的な栄養素-多様性関係が存在しないことから、現実のエコシステムでは文脈依存的な反応を示す可能性がある。
• クロスフィーディングと移住は、栄養素-多様性曲線の形状を変化させ、生態的文脈が多様性の結果に影響を与えることを示唆している。