[논문 리뷰] Nutrient levels and trade-offs control diversity in a model seasonal ecosystem

Amir Erez, Jaime G Lopez외 3명|arXiv (Cornell University)|2019. 02. 24.

Evolution and Genetic Dynamics인용 수 2

한 줄 요약

이 연구는 순환 배양 모델에서 영양소 공급량이 다양성에 결정적으로 영향을 미치는 계절 생태계에서 대사적 상충관계가 높은 미생물 다양성을 가능하게 한다는 것을 보여준다. 이는 상충관계의 정밀도, 교차 공급, 이민, 진화와 관련이 있다. 화학반응기 모델과 달리, 여기서 다양성은 무한하지 않고 맥락에 따라 달라지며, 이는 일반적인 영양소-다양성 관계에 도전한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 간헐적인 영양소 공급, 즉 계절적 또는 배치 환경에서 대사적 상충관계가 높은 미생물 다양성을 유지하는지 조사하기 위해.
• 상충관계, 교차 공급, 이민 또는 진화를 고려한 모델에서 영양소 공급량이 다양성에 미치는 영향을 규명하기 위해.
• 모델 예측이 E. coli의 배치 및 화학반응기 실험에서의 실증 데이터와 일치하는지 테스트하기 위해.
• 실제의 비연속적 영양소 제원에서 다양성이 최대화되거나 제약을 받는 조건을 특정하기 위해.

제안 방법

• 계절적 영양소 펄스를 시뮬레이션하는 순환 배양 조건에서의 미생물 군집 역학 수학 모델.
• 종 간에 자원 흡수 효율성과 성장 속도에서 다름을 보이는 대사적 상충관계의 통합.
• 대사적 교차 공급, 이민, 진화적 적응을 동적 변수로 포함.
• 주기 동안 인구 역학과 영양소 소비를 모델링하기 위해 상미분 방정식의 사용.
• 공개된 E. coli의 배치 및 화학반응기 실험 데이터와 모델 출력의 검증.
• 다양성에 대한 영양소 공급량, 상충관계 정밀도, 군집 파라미터에 대한 민감도 분석.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 대사적 상충관계는 간헐적인 영양소 공급이 있는 순환 배양 시스템에서 높은 미생물 다양성을 유지할 수 있는가?
• RQ2 주기당 공급되는 영양소의 양이 상충관계가 존재하는 조건에서 공동체 다양성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 교차 공급, 이민 또는 진화는 영양소 공급과 다양성 간의 관계를 어떻게 변화시키는가?
• RQ4 모델은 E. coli의 배치 및 화학반응기 배양에서 관찰된 알려진 실험 패턴을 재현하는가?
• RQ5 영양소 공급과 다양성 간에 일반적인 관계가 존재하는가, 아니면 생태학적 맥락에 따라 달라지는가?

주요 결과

• 대사적 상충관계는 화학반응기 모델과 달리 순환 배양에서 높은 다양성을 가능하게 한다.
• 다양성은 상충관계의 존재 외에도 주기당 공급되는 영양소의 양에 크게 의존한다.
• 영양소 공급과 다양성 간의 관계는 상충관계의 정밀도, 교차 공급, 이민, 진화 역학에 따라 변한다.
• 모델은 E. coli의 배치 및 화학반응기 배양에서 관찰된 실험적 다양성 패턴을 성공적으로 재현한다.
• 일반적인 영양소-다양성 관계가 존재하지 않는다는 점은 실제 생태계가 맥락에 따라 다르게 반응할 수 있음을 시사한다.
• 교차 공급과 이민은 영양소-다양성 곡선의 형태를 변화시켜 생태학적 맥락이 다양성 결과에 영향을 줄 수 있음을 나타낸다.