Nature Communications | 基因组所赵程团队联合山东大学揭示木质素降解菌群中非降解者的重要性

2025年1月14日，《自然·通讯（Nature Communications）》在线发表了中国农业科学院深圳农业基因组研究所（岭南现代农业科学与技术广东省实验室深圳分中心）赵程团队与山东大学海洋研究院碳汇团队林璐课题组的研究论文，题为“Modeling bacterial interactions uncovers the importance of outliers in the coastal lignin-degrading consortium”。该研究通过构建的木质素降解菌群的代谢网络模型，深入探究了菌群降解木质素的作用机制。该研究表明，利用计算工具模拟物种间的代谢互作，可以加深对微生物菌群互作机制的理解，加速合成菌群的构建。

图1 | 代谢建模解析物种间的相互作用

木质素是地球上一种丰富的碳聚合物，但长期以来，理解其降解过程中复杂的微生物相互作用一直是一个挑战。在这项研究中，研究人员通过“自上而下”的富集方法得到了一个海岸木质素降解微生物群落。该菌群主要由Pluralibacter gergoviae主导，但也包含了其他稀有的非降解菌。这些非降解菌与P. gergoviae共同培养时，不仅显著增强了木质素的降解效率，还提高了细胞的生长速度。为了阐明这一现象背后复杂的微生物互作机制，使用基因组规模的代谢模型（GSMMs）及其相关算法进行相关的模拟和预测。首先，研究人员构建了木质素降解菌群的群落模型并通过简约通量平衡分析（pFBA：parsimonious flux balance analysis）筛选出了菌株间潜在的交叉喂养代谢物，为后续的实验验证提供了指导。其次，研究人员利用动态通量平衡分析（dFBA：Dynamic flux balance analysis）进一步模拟了在四种菌株间不同的亚种群比率下的动态生长过程。最后，通过GSMMs的预测结果与实验验证，证明了这些细菌通过氨基酸、有机酸和醇类等代谢物的交叉喂养，形成了一种动态的协同作用，从而使木质素降解比单菌株降解时更为高效。菌群数量的比例也会显著影响木质素降解过程中的协同作用和降解效率。这项研究体现了代谢网络模型在理解复杂微生物相互作用中的强大作用，并为改善如木质素增值等可持续生物炼制中的生物技术过程开辟了新途径。

基因组所（大鹏湾实验室） 研究员赵程、山东大学海洋研究院博士研究生彭倩楠为该论文的共同第一作者，山东大学林璐教授为该论文的通讯作者。基因组所（大鹏湾实验室）博士研究生王聪聪、科研助理程科林共同参与了该研究工作。该研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划等项目的支持和资助，并为“海洋负排放国际大科学计划（ONCE）”作出贡献。

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-56012-8