微精选

木质素是地球上最丰富的芳香族碳聚合物，难降解且结构复杂，广泛存在于植物细胞壁中。它在全球碳循环和生物质能源转化中扮演关键角色。自然界中，微生物往往以群落形式协同作用，完成木质素的高效降解，但其中的互作机制仍知之甚少。本研究采用“自上而下”的富集策略，从东海滨海湿地筛选出一个具有木质素降解能力的细菌联合体（简称LD），以Pluralibacter gergoviae为主导菌（占比98%以上），同时伴有一些低丰度的非降解菌（如假单胞菌）。尽管这些低丰度的非降解菌不具备直接降解木质素的能力，但却能通过分泌氨基酸、有机酸和醇类等代谢物“反哺”主导菌，促进整个群落的生长与木质素降解效率。利用宏基因组、代谢物谱、基因组尺度代谢模型（GSMM）及共培养实验，研究揭示了菌群内的代谢交叉喂养机制。该成果不仅揭示了群落中“非主流成员”的关键功能，也为人工合成高效微生物菌群提供了新的理论支撑与设计思路。未来，这类菌群有望在生物能源转化、环境修复和碳循环调控等领域发挥重要作用。

一、细菌联合体在细胞生长与木质素降解方面优于单独的P. gergoviae

在本研究中，作者通过“自上而下”富集策略，连续传代培养了40代，构建并稳定获得了一个具木质素降解能力的细菌联合体（LD），其接种源为中国东海滨海潮间带湿地（图1A、图S1A）。培养结果显示，联合体在第1代时的木质素降解率为7.71%，细胞密度达2.27×10⁸cfu/mL；至第21代，群落生长速率提高至少两倍，降解率略升至8.11%；第40代时，LD表现出稳定生长（第5天达4.46×10⁸cfu /mL）和较高木质素降解能力（8.53%）（图1B、图S1B、C）。同时，LD显著促进可溶性总有机碳（tDOC）积累（图1C）。傅里叶变换离子回旋共振质谱（FT-ICR-MS）和LC-MS/MS代谢组分析进一步揭示其富集多种木质素衍生代谢物，包括酚类、芳香族羧酸、脂肪族化合物与稠环芳烃等（图S2A–B，补充数据1），表明其具有良好的木质素转化能力。16S rRNA扩增子分析显示，LD群落组成在连续传代中保持相对稳定，至第41代共检出78个ASVs，其中Pluralibacter ASV1占据主导（98%），其余如Vibrio、Aeromonas、Shewanella等属菌丰度较低但持续存在（图1D、S1D）显示出其生态稳定性和潜在的功能贡献。

为解析LD联合体的木质素降解潜力，研究团队对其进行了宏基因组测序与功能注释分析。宏基因组测序进一步确认Pluralibacter gergoviae为LD中的优势菌，其MAG完整度>90%、污染度<5%，相对丰度超过99%（图S3A）。其他低丰度菌如Vibrio natriegens、Aeromonas hydrophila和Shewanella putrefaciens虽被检测到，但未能成功组装完整MAG，结果与扩增子分析一致。对P. gergoviae的功能注释表明其具备完整的木质素氧化和芳香族代谢能力。其MAG中鉴定出dypA、dypB等DyP型过氧化物酶基因及gox、nuoEFG、dld、cat、gpx、sod、trxB等辅助酶基因，参与木质素脱聚和氧化胁迫缓解（图S3B）。此外，P. gergoviae携带82个芳香族代谢相关基因家族，涵盖苯甲酸、对羟基苯甲酸、原儿茶酸和儿茶酚等多条通路。相比之下，联合体中其他菌仅零散携带部分相关基因，缺乏完整路径，表明P. gergoviae是该联合体中唯一具明确降解能力的核心菌，其余成员可能在共生网络中发挥辅助作用。

图1 LD菌群在木质素条件下长期富集过程中的细胞生长、木质素降解能力及群落结构变化

二、细菌群落建模模拟多菌组合的生长

为评估低丰度非降解菌对联合体功能的影响，研究选取了优势菌Pluralibacter ASV1及三种在群落中稳定存在的非降解菌ASVs（Vibrio ASV5、Aeromonas ASV18、Shewanella ASV20）。通过分离获得与这些ASV高度匹配的代表性菌株，并在木质素为唯一碳源的条件下进行单菌培养。结果显示，仅P. gergoviae具备木质素降解能力（降解率为2.18%），其余三株菌在该条件下几乎不生长，亦无降解活性（图2A–C），验证其为非降解菌。相比单菌体系，P. gergoviae在LD联合体中表现出更高的细胞密度和木质素降解效率，联合体中可溶性有机碳及多种脂肪族和芳香族代谢产物亦显著富集（图S2C–D，图S3D）。此外，三种非降解菌在联合体中可稳定增殖，而在单独培养时则数量下降，提示其生长依赖于群落环境。综上，尽管P. gergoviae为联合体中唯一的降解菌，但非降解菌通过群落互作显著促进了其生长与降解表现，支持了二者间潜在的互利关系。

图2 四种菌株在单培养与共培养条件下的生长差异

三、四种菌株因代谢物交叉喂养而获益

为解析LD联合体中种间互作机制，本研究构建并验证了P. gergoviae、A. hydrophila、S. putrefaciens和V. alginolyticus的基因组尺度代谢模型（GSMM），基于基因组注释与生长实验（图3A、图S4、表1）。考虑木质素结构的复杂性，手动整合了G型、S型和H型单体降解反应至P. gergoviae模型，并据实优化。最终获得四个高一致性模型（MEMOTE评分98–99%，模型统计详见表1）。基于简约流量平衡分析（pFBA），在1%木质素培养条件下模拟了所有菌种组合的生长情况。模型预测显示，四菌间存在木质素衍生物、甘油、氨基酸和有机酸等的代谢交换（图3B、图S6），且多菌组合生物量均高于单菌，四菌组合表现最佳（图3C）。动态模拟（dFBA）进一步揭示，群落生长优势受初始接种比例影响显著。共培养实验验证了模拟结果。与单菌相比，所有多菌组合生长显著提升，其中四菌组合的细胞密度为P. gergoviae单菌的两倍，并最接近LD联合体水平（图4A、B）。对应的木质素降解率亦升至3.39%。此外，仅在初始比例为10⁷:10⁵:10⁵:10⁵copies/mL时，群体展现协同效应；反之，非降解菌比例过高则抑制降解菌生长（图S5–S7）。综上，四菌组合可重现LD群落的生长优势，其机制可能源于代谢物交叉喂养驱动的互利共生关系。