量化人類腸道菌種對艱難梭菌長期生長的影響（二）
與基于艱難梭菌(C.difficile)在人類腸道群落中短時間尺度測量推導出的gLV物種間相互作用網絡(主要以負相互作用為主)相比，長期生態相互作用推導出的網絡顯示出較高頻率的正相互作用(圖1C)。在這一時間尺度上，PV和DP與艱難梭菌之間表現出雙向正相互作用，而理論上這可能會導致群落動態的不穩定性(圖1D，圖S1C，圖S2A和圖S2B)。相反，EL與艱難梭菌之間表現出輸出正相互作用和輸入負相互作用。這種拓撲結構可能形成負反饋回路，從而穩定群落動態，并解釋了觀察到的EL與艱難梭菌之間的穩定共存現象。
然而，經常排斥艱難梭菌的物種(如PC和BT)也顯示出與艱難梭菌之間的輸出負相互作用和輸入正相互作用。這與競爭性排除動態的穩定性相一致(圖S2B)。CS和CH在雙物種共培養中被艱難梭菌在7次傳代后競爭淘汰，并且經常被三物種群落排除(圖S1C，圖S1F和圖S2A)，這與來自艱難梭菌的輸入負相互作用一致。
為了評估群落中物種共存的程度，我們計算了香農多樣性指數的變化(ΔH)(圖1E)。含有EL和CA的群落表現出較高的ΔH，而含有BT的群落則表現出最低的ΔH。此外，我們通過計算各時間點之間物種相對豐度的歐幾里得距離，量化了群落動態的變異性。較大的歐幾里得距離值及其更廣的分布范圍表明群落不穩定性增加。PV和DP的存在使歐幾里得距離增加，與其他物種相比，其雙向正相互作用的網絡拓撲可能導致群落動態的不穩定性(圖1F)。
我們研究了在較長時間尺度和不同環境條件下與艱難梭菌(C.difficile)共存的一部分群落的動態。具體而言，我們將包含CA、EL、BU、DP和PV的雙物種群落，與兩種不同的艱難梭菌菌株分別在三種不同培養基條件下共培養了341代(圖S4A–S4D)。由于艱難梭菌在不同菌株之間具有很大的遺傳變異性，研究中選擇了一個具有毒素的DSM 27147菌株和一個非毒素的MS001菌株，后者具有更大的基因組和獨特的代謝能力。此外，我們通過修改基礎培養基降低碳水化合物濃度(降至原來的1/4)或提高氨基酸濃度(增加至原來的2倍)。減少碳水化合物濃度可能通過改變競爭強度和/或某些腸道菌種導致的培養基酸化來影響艱難梭菌的生長；而增加氨基酸濃度可能通過增強Stickland代謝促進艱難梭菌的生長。該代謝途徑通過偶聯氨基酸的氧化和還原產生有機酸，為能量和生長提供支持。
在大多數群落和營養環境中，艱難梭菌DSM 27147和MS001表現出相似的長期動態(圖S4E–S4G)。相比之下，CD-PV和CD-DP的動態在時間上表現出更大的不穩定性，并且在不同營養環境下的變化幅度大于其他群落(圖S4E–S4J)。
總之，EL在長時間尺度內促進了艱難梭菌在群落中的穩定共存。相反，PV或DP的存在在不同環境條件下引發了群落動態的不穩定性。這些動態總體上與其推導的相互作用網絡拓撲一致。
資源受限的環境促進了艱難梭菌與PV的交叉喂養和共存
已有研究表明，人類結腸中約30%的細菌屬于擬桿菌屬(Bacteroides)，其中PV、BT、BU、B.distasonis、B.fragilis和B.ovatus在個體間的普遍性最高。除此之外，擬桿菌屬的定植穩定性已被多次驗證。尤其是，PV因其較高的定植能力，被視為治療復發性艱難梭菌感染(rCDI)的潛在活菌療法候選菌株。研究艱難梭菌與這些腸道微生物中高度豐度且穩定的成員之間的相互作用，可以為揭示影響艱難梭菌定植的因素提供重要見解。
在CD-PV共培養中觀察到一個獨特現象：營養環境的改變可以在一定時間范圍內將群落動態從競爭性排除轉變為共存。在高濃度碳水化合物環境下，艱難梭菌在約186–224代時被排除；而在降低碳水化合物濃度的培養基中，艱難梭菌與PV共存了341代(圖S4E和S4F)。
為揭示這些條件下驅動共存與競爭性排除的代謝活動，我們對PV和艱難梭菌在兩種培養基中的代謝產物進行了外代謝組學分析，通過測量培養液上清液中代謝物的濃度變化(起始時和培養24小時后，見圖2A和2B)。在單菌培養中，艱難梭菌利用其司提克蘭氏反應(Stickland)代謝能力，消耗了培養基中的多種氨基酸。在低碳水化合物培養基中，PV釋放了艱難梭菌利用的84%的代謝物，包括用于Stickland代謝的氨基酸。在PV單菌培養中，這些代謝物在24小時內呈現遞增趨勢；但在CD-PV共培養中，這些代謝物在約6到12小時后呈現下降趨勢，表明它們被艱難梭菌消耗。因此，這些結果支持了PV向艱難梭菌跨物種供給多種代謝物的現象(圖2A和圖S5)。
相比之下，在高碳水化合物濃度下，預測的跨物種供給較少，艱難梭菌利用的代謝物中僅有12%由PV釋放(圖2B和圖S6)。此外，PV在單菌培養中消耗了艱難梭菌利用的24%的代謝物，包括葡萄糖和肌醇，表明在這種培養基條件下資源競爭占主導地位。在高碳水化合物培養基中，艱難梭菌利用的代謝物中，有45%也在低碳水化合物培養基中被利用。這表明改變碳水化合物濃度調節了艱難梭菌的代謝生態位。
圖2|兩種營養環境中艱難梭菌和普通擬桿菌的外代謝組學分析
(A和B)艱難梭菌在基礎培養基中消耗的代謝物相對于空白培養基(t=0 h)的倍數變化熱圖，分別在降低碳水化合物濃度的培養基(低碳水化合物培養基，A)和基礎培養基(高碳水化合物培養基，B)中展示。完整的代謝組學分析見圖S5(低碳水化合物培養基)和圖S6(高碳水化合物培養基)。時間變化的豐度測量圖來自圖S4E和S4F。
(C和D)有機酸在低碳水化合物培養基(C)和高碳水化合物培養基(D)中的定量分析(均值±標準差，n=3)。水平虛線表示空白培養基中檢測到的濃度。未配對雙側t檢驗的p值也已標注。
(E和F)CD-PV共培養中主要代謝活動的示意圖，分別在低碳水化合物培養基(E)和高碳水化合物培養基(F)中進行展示。部分圖形使用Biorender制作。