本文由Zahraa Al-Tameemi和Alejandra Rodríguez-Verdugo共同撰写，发表于2024年11月的《mSystems》期刊上。该研究探讨了微生物群落的多样性维持机制，特别是通过实验进化研究，分析了Pseudomonas putida（恶臭假单胞菌）在单独培养和与Acinetobacter johnsonii（约翰逊不动杆菌）共培养条件下的多样化模式。研究揭示了种间相互作用如何影响微生物的进化轨迹，尤其是通过资源泄漏（cross-feeding）机制维持多样性的现象。
微生物群落在自然界中表现出极高的多样性，但其多样性的起源和维持机制仍不完全清楚。以往的研究表明，微生物种群在长期进化过程中可以通过适应性突变来增强生存和繁殖能力，这些突变通常会在种群中迅速扩散，导致遗传多态性的丧失。然而，在某些情况下，多态性得以维持，形成新的谱系。例如，Escherichia coli（大肠杆菌）在葡萄糖和乙酸盐的交叉喂养（cross-feeding）条件下，会形成多态性种群。此外，空间结构也被证明可以驱动微生物的多样化，通过创造不同的生态位来维持遗传多态性。
然而，关于其他物种如何影响某一物种的多样化模式的研究较少。Zhang等人（2014）发现，Pseudomonas fluorescence（荧光假单胞菌）的多样化不受其竞争者P. putida的影响。尽管如此，其他物种的存在是否会影响某一物种的多样化仍然是一个开放性问题。本研究旨在通过实验进化方法，探讨P. putida在单独培养和与A. johnsonii共培养条件下的多样化模式，特别是资源泄漏（cross-feeding）如何影响多样性的维持。
研究使用了由Acinetobacter johnsonii C6和Pseudomonas putida KT2440组成的合成微生物群落。这两种细菌是从受污染的含水层中分离出来的，能够降解环境中的芳香化合物。A. johnsonii通过消耗苯甲醇并泄漏苯甲酸（苯甲醇氧化的中间产物）来为P. putida提供碳源和能量，形成单向的交叉喂养关系。
研究设计了四个重复实验，分别将P. putida单独培养（单培养）和与A. johnsonii共培养（共培养）200代。通过基因组重测序和表型分析，研究团队追踪了P. putida的进化轨迹，特别是其形态和基因突变的变化。此外，研究还进行了入侵实验和进化“重放”实验，以评估A. johnsonii对P. putida多样化维持的影响。
表型多样化仅在共培养中得以维持：经过200代的进化，P. putida在共培养条件下分化出两种不同的形态类型（大形态和小形态），而在单培养中仅形成大形态。大形态的菌株产量显著高于祖先菌株，而小形态的菌株产量与祖先相似。这种多样化仅在共培养条件下得以维持，而在单培养中，大形态迅速取代了祖先菌株。
基因突变与表型多样化相关：通过对进化后的菌株进行基因组重测序，研究团队发现P. putida在进化过程中积累了29个点突变，其中大多数是非同义突变，表明存在强烈的适应性进化信号。特别是fleq基因（编码鞭毛和生物膜形成的主调控因子）的突变在多个实验线中重复出现，表明该基因受到强烈的正向选择。fleq突变体失去了游泳能力，生物膜形成能力也显著降低，但产量更高。
A. johnsonii对多样化的维持具有稳定作用：通过进化“重放”实验，研究团队发现，移除A. johnsonii后，P. putida的两种形态类型逐渐减少，最终小形态占据主导地位。而在A. johnsonii存在的情况下，两种形态类型能够稳定共存。这表明A. johnsonii通过某种机制缓冲了种群动态，防止了某一形态的绝对优势。
本研究揭示了种间相互作用在微生物多样性维持中的重要作用。通过实验进化，研究团队证明了A. johnsonii的存在能够稳定P. putida的多样化，特别是在资源泄漏（cross-feeding）条件下。这一发现不仅为理解微生物群落的进化动力学提供了新的见解，还为生态学和进化生物学中的多样性维持机制提供了实验证据。
尽管本研究提供了重要的实验证据，但仍有一些问题需要进一步探讨。例如，A. johnsonii如何通过资源泄漏机制影响P. putida的多样化？未来的研究可以通过控制苯甲酸的浓度，进一步验证资源泄漏对多样化的影响。此外，研究还可以扩展到其他微生物系统，以验证这一机制的普适性。
总的来说，本研究为理解微生物群落的进化动力学和多样性维持机制提供了重要的实验证据，具有重要的科学和应用价值。