原文链接：Dynamic metabolic interactions and trophic roles of human gut microbes identified using a minimal microbiome exhibiting ecological properties | The ISME Journal (nature.com)

Abstract

Microbe–microbe interactions in the human gut are influenced by host-derived glycans and diet. The high complexity of the gut microbiome poses a major challenge for unraveling the metabolic interactions and trophic roles of key microbes. Synthetic minimal microbiomes provide a pragmatic approach to investigate their ecology including metabolic interactions. Here, we rationally designed a synthetic microbiome termed Mucin and Diet based Minimal Microbiome (MDb-MM) by taking into account known physiological features of 16 key bacteria. We combined 16S rRNA gene-based composition analysis, metabolite measurements and metatranscriptomics to investigate community dynamics, stability, inter-species metabolic interactions and their trophic roles. The 16 species co-existed in the in vitro gut ecosystems containing a mixture of complex substrates representing dietary fibers and mucin. The triplicate MDb-MM’s followed the Taylor’s power law and exhibited strikingly similar ecological and metabolic patterns. The MDb-MM exhibited resistance and resilience to temporal perturbations as evidenced by the abundance and metabolic end products. Microbe-specific temporal dynamics in transcriptional niche overlap and trophic interaction network explained the observed co-existence in a competitive minimal microbiome. Overall, the present study provides crucial insights into the co-existence, metabolic niches and trophic roles of key intestinal microbes in a highly dynamic and competitive in vitro ecosystem.

摘要

人体肠道中的微生物相互作用受到宿主衍生的糖类和饮食的影响。肠道微生物组的高复杂性对于揭示关键微生物的代谢相互作用和营养作用的生态学构成了重大挑战。合成最小微生物组提供了一种实用的方法来研究它们的生态学，包括代谢相互作用。在这里，我们根据已知的16种关键细菌的生理特征，合理设计了一个合成微生物组，称为黏液和饮食基础最小微生物组（MDb-MM）。我们结合了基于16S rRNA基因的组成分析、代谢物测量和元转录组学，来研究群落动态、稳定性、种间代谢相互作用及其营养作用。这16种细菌共存于含有代表膳食纤维和粘液的复合底物混合物的体外肠生态系统中。三重复的MDb-MM遵循了Taylor's幂律，并且显示出非常相似的生态学和代谢模式。MDb-MM表现出对时间性扰动的抗性和复原能力，表现为丰度和代谢终产物。微生物特异性的时间动态在转录的生态位重叠和营养相互作用网络中解释了在竞争性最小微生物组中观察到的共存。总的来说，本研究为在高度动态和竞争性的体外生态系统中关键肠道微生物的共存、代谢位和营养作用提供了关键见解。

图1 MDb-MM设计原则、实验设置和调查。设计MDB-MM时考虑的关键方面包括构建具有功能冗余和营养相互作用的多物种微生物组，以及可能存在的空缺生态位，以测试生态位的占用情况。实验设置包括脉冲喂养生物反应器与饮食来源底物（DoS），并引入扰动，如添加新物种，增加膳食摄入量（2倍DoS脉冲），去除关键代谢产物和营养物质饥饿。有关成分、代谢产物和代谢转录组的采样时间点的详细信息见补充图S2。

图2 MDb-MM的全局响应。A MDb-MM的时间组成动态。B MDb-MM在三个生物反应器中产生的主要短链脂肪酸（SCFAs），乙酸、丁酸、丙酸的浓度。垂直虚线，红色表示引入B. hydrogenotrophica（152小时），蓝色表示去除乙酸/喂养更改（248小时）。曲线代表每个生物反应器的局部加权平滑（LOESS），这些曲线周围的灰色阴影区域显示了拟合的95%置信区间。这是使用ggplot2 R包中的默认geom_smooth函数计算和可视化的。

图3 MDb-MM中的群落水平模式。A 主坐标分析图描述了MDb-MM群落随时间的演替，群落相似度是使用Canberra距离计算的。每个点上的数字表示发酵实验的天数。B–D 平均丰度和方差之间的幂律关系。线性回归线为蓝色，阴影区域表示置信区间（geom_smooth函数，method = lm）。点周围的条形表示每个分类单元的平均值和方差的下限和上限置信区间。E 群落中不平等度（基尼系数）随时间的变化在三个生物反应器中的变化。F 根据Canberra距离计算的群落分化。G 使用codyn R包计算的MDb-MM在三个生物反应器中的平均排名变化。

图4 MDb-MM的稳定性特性。A 使用Canberra距离和欧氏距离计算的参考阶段的群落变化。参考阶段的边界是根据Liu等人描述的方法计算的。阴影区域和棕色虚线表示基于Canberra距离的参考阶段边界，而蓝色虚线表示基于欧氏距离的参考边界。空心三角形代表观察到最大偏离参考状态的时间点。B 去除乙酸后的MDb-MM的恢复力。黑色虚线表示基于Canberra距离的参考边界。稳定性是在152小时（引入B. hydrogenotrophica）作为起始时间，去除乙酸/饲料变化（248小时）作为干扰事件，并且在三个系统中未开始延长禁食之前实验结束时间点（344小时）计算的。RS表示抵抗力，DS表示位移速度，RL表示恢复力。

图5 MDb-MM的组成和功能演替与转录组响应的相关性。基于Canberra距离的组成功能群落相似性的Mantel检验。A 基于16S rRNA基因相对丰度与肠道代谢模块相对丰度之间的群落相似性比较。B 基于16S rRNA基因相对丰度与KEGG基因本体相对丰度之间的群落相似性比较。这些散点图中的每个圆表示样本之间的成对Canberra距离。C 肠道代谢模块相对丰度与KEGG基因本体相对丰度之间的比较。D-F DoS和隔夜样本中GMM的差异表达。加入B. hydrogenotrophica和外源性乙酸之前（48小时 vs. 52小时）。加入B. hydrogenotrophica和外源性乙酸后（240小时 vs. 248小时）。加入B. hydrogenotrophica但没有外源性乙酸时（248小时 vs. 264小时）。调整后p值≥0.01且折叠变化的绝对值≥1.5的模块被标记。

图6 MDb-MM中各个物种的时间性生态位重叠。每个物种的两两生态位重叠被绘制成热图，深色表示高生态位重叠。y轴上使用的物种名称的缩写在面板标题的括号中给出。白色代表缺失值。这些是某一对物种中的一种在时间点上的GMM特征计数少于50个，因此无法计算生态位重叠。这在A. rectalis和B. hydrogenotrophica中很突出。A. rectalis在生物反应器持续运行的最初时间点之一的16S rRNA丰度最低。B. hydrogenotrophica在152小时加入，但RNAseq样品是在其加入系统之前采集的。

图7 MDb-MM内的转录生态位分离和营养行会。A 基于用于营养行会分析的GMM特征表达的主成分分析（PCA）。在计算坎贝拉距离之前，丰度进行了Hellinger转换。每个物种的多个圆圈代表不同的时间点。物种标签位于该特定物种的中心周围。B 代谢角色组织成营养行会的示意图。营养行会1用于多糖和粘液降解，营养行会2由单二糖组成，营养行会3由消耗发酵产物和副产物组成，营养行会4由消耗无机底物生长的微生物组成。C 三角图表示不同时间点MDb-MM菌株的营养状态。对于给定时间点的每种菌株，我们对其表达进行了求和，并计算了每个营养行会的相对表达。符号靠近三角形的顶点，表示该菌株对营养行会的平均潜在贡献。在本图中未显示营养行会4。每个营养行会内物种的排名详见补充图S11。