[论文解读] 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 2

一句话总结

本研究表明，代谢权衡使在季节性生态系统串行稀释模型中实现高微生物多样性成为可能，其中营养物质供应量在调控多样性方面起关键作用——该作用取决于权衡的精确度、交叉喂养、迁徙或进化。与化学连续培养模型不同，此处的多样性并非无限，而是依赖于具体情境，从而挑战了普遍存在的营养物质-多样性关系。

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.

研究动机与目标

• 研究在季节性或批量环境等间歇性营养供应条件下，代谢权衡是否能够维持高微生物多样性。
• 确定在存在权衡、交叉喂养、迁徙或进化的情况下，营养物质供应量如何影响多样性。
• 检验模型预测是否与大肠杆菌批量培养和化学连续培养实验的实证数据一致。
• 识别在现实的非连续营养制度下，多样性达到最大化或受到限制的条件。

提出的方法

• 建立微生物群落动力学的数学模型，模拟季节性营养脉冲下的串行稀释过程。
• 引入代谢权衡，即不同物种在资源吸收效率与生长速率方面存在差异。
• 将交叉喂养（代谢交叉喂养）、迁徙和进化适应作为动态变量纳入模型。
• 使用常微分方程模拟周期内种群动态和营养消耗过程。
• 将模型输出与已发表的大肠杆菌批量培养和化学连续培养实验数据进行验证。
• 对多样性关于营养物质供应量、权衡精确度和群落参数的敏感性进行分析。

实验结果

研究问题

• RQ1 在间歇性营养供应的串行稀释系统中，代谢权衡能否维持高微生物多样性？
• RQ2 在存在权衡的情况下，每周期供应的营养物质量如何影响群落多样性？
• RQ3 交叉喂养、迁徙或进化如何改变营养物质供应与多样性之间的关系？
• RQ4 该模型是否能再现大肠杆菌批量培养和化学连续培养中已知的实验模式？
• RQ5 是否存在普遍适用的营养物质-多样性关系，还是其随生态情境而变化？

主要发现

• 与化学连续培养模型中多样性理论上无限不同，代谢权衡使串行稀释培养中能够实现高多样性。
• 多样性强烈依赖于每周期供应的营养物质量，而不仅仅是权衡的存在。
• 营养物质供应与多样性之间的关系受权衡精确度、交叉喂养、迁徙和进化动态的影响而变化。
• 该模型成功再现了大肠杆菌批量培养和化学连续培养中观察到的实验多样性模式。
• 缺乏普遍适用的营养物质-多样性关系表明，真实生态系统可能表现出情境特异性的响应。
• 交叉喂养和迁徙可改变营养物质-多样性曲线的形状，表明生态情境调节多样性结果。