合成菌群在农业中的重要性日益得到认可，但构建目标群落的方法仍然有限。自下而上组装策略需要考虑各种因素：环境条件（营养物质、温度和湿度）、拮抗和竞争相互作用、交叉喂养关系、系统发育多样性和物种丰度。如何提升合成菌群的稳定性？

近日，一篇发表在《Nature Communications》上的文章，通过在菌群中添加窄谱资源利用菌株，加强微生物成员之间的合作、减少内部竞争，提升合成群落的稳定性。

实验设计

1、菌株选择：功能驱动的选择策略，选择成熟、广泛认可的6种有益性状的菌株（Bacillus megaterium L, Pseudomonas fluorescens J, Bacillus velezensis SQR9, Pseudomonas stutzeri G, Cellulosimicrobium cellulans E, Azospirillum brasilense K），这些菌株具有固氮、溶磷、IAA合成和铁载体生产等差异功能。

2、功能评估：通过实验量化各菌株的植物有益特性（如固氮酶活性、磷 solubilization、IAA产量等），确保多功能性。

3、资源利用分析：使用芯片测试58种常见根际碳源的利用情况，计算资源利用宽度和重叠指数，以评估菌株的代谢异质性。

4、代谢模型：构建各菌株的GMMs，并利用碳源的利用情况优化模型。模拟所有可能的群落组合（57种），计算MIP（反映合作潜力）和MRO（反映竞争压力），分析资源利用宽度与MIP/MRO的相关性。

5、群落构建与稳定性测试：基于模拟结果，选择高MIP、低MRO的群落，在番茄根际进行接种实验，监测菌株丰度动态（qPCR）。进行菌株缺失实验，验证关键菌株的作用。

6、代谢互动验证：通过非靶向代谢组学分析培养上清液，鉴定潜在交换代谢物，并进行代谢物补充实验，测试其对群落稳定性的恢复效果。

7、植物生长促进实验：在温室条件下，比较不同群落（包括单菌株、不稳定群落和稳定群落）对番茄生长的影响，测量株高和干重。

主要研究结果

1.构建合成群落的候选植物有益菌

首先，测量了6种有益性状菌株的固氮酶活性(a)、溶磷活性(b)、吲哚-3-乙酸（IAA）产量(c)和铁载体产量以及CAS活性。

图1六种植物有益菌的功能评价

2.窄谱资源利用菌株促进群落合作

交叉评估发现候选菌株之间几乎没有拮抗作用，因此研究重点转向基于资源的竞争与合作。研究发现资源利用宽度与MIP呈负相关，与MRO呈正相关。窄谱菌株（如C. cellulans E和P. stutzeri G）在群落中表现出更高的MIP和更低的MRO，表明其通过减少竞争、促进代谢互补来驱动稳定性。因此，研究共构建了5个SynComs，2个包括窄谱菌株的高稳定性群落，3个对照群落。

图2 6种植物有益菌株对58种常见根际碳源的利用谱

表1 构建5个SynComs

3.群落稳定性验证

SynCom4（含C. cellulans E）和SynCom5（含P. stutzeri G）在根际中维持高菌株丰度，显著优于不稳定群落。菌株缺失实验证实，移除C. cellulans E或P. stutzeri G会导致其他成员丰度急剧下降，凸显其核心作用。

图3 合成群落中菌株丰度的原位动态变化

4.C. cellulans E 和 P . stutzeri G 通过分泌关键代谢物来稳定群落

为了阐明稳定 SynComs 中的代谢互作，进行交叉饲养测定。发现C. cellulans E、P. stutzeri G 和 A. brasilense K 的分泌物支持群落其他成员的生长。

补充窄谱菌株分泌关键代谢物（如天冬酰胺、维生素B12、异亮氨酸及其衍生物），能部分恢复缺失关键菌株后的群落稳定性。

图4 合成群落中种间相互作用和关键代谢物的验证

5.植物生长促进作用

稳定群落SynCom4和SynCom5显著促进番茄生长，株高增加48.9%-58.6%，干重增加85.6%-91.9%，而单菌株或不稳定群落效果有限。这证明群落稳定性与功能输出密切相关。

图5 不同合成群落对植物生长的促进作用

6.普适性验证

分析公共数据库中224个叶际菌株和3001个根际基因组，使用基因组尺度代谢模型（GMMs）预测资源利用宽度，使用SMETANA工具模拟菌株间的互动，计算MIP和MRO

发现资源利用宽度呈正态分布，且窄谱菌株在植物相关细菌中普遍增强合作，支持了策略的广泛适用性。

参考文献

Narrow-spectrum resource-utilizing bacteria drive the stability of synthetic communities through enhancing metabolic interactions.Nature Communications,2025.

原文链接

Doi.org/10.1038/s41467-025-61432-7