中国农业大学 | 生物学院袁红莉、杨金水团队在多聚物降解菌群物种协作机制研究中取得新进展

7月22日，《美国国家科学院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America，简称PNAS）在线发表生物学院袁红莉教授团队的最新研究论文《降解者与非降解者之间的互利关系稳定了天然多聚物降解菌群的功能》（Mutualism between degraders and nondegraders stabilizes the function of a natural biopolymer-degrading community）。该研究系统揭示了非降解菌如何通过提供关键生态因子反向塑造降解菌生态位，进而与降解菌协同实现稳定高效的木质纤维素降解，为理解复杂微生物群落中的资源分配与功能维持机制提供了新视角。

微生物对天然多聚物的降解在维系地球碳循环和生态系统功能中起着不可或缺的作用。传统观点认为，这一过程主要由分泌胞外酶的“降解者”驱动，将复杂的多聚物分解为可被微生物利用的小分子产物。然而，这些被视为“公共资源”的产物也会被群落中的“非降解者”消耗，从而引发群体功能丧失甚至崩溃的风险。尽管存在资源被剥削的隐患，自然微生物群落也广泛存在降解者与非降解者的共存与合作机制，而其生态逻辑长期以来未被系统阐明，限制了人类对于多聚物资源的开发利用。

天然木质纤维素降解菌群中稳定互作机制解析和高效人工菌群构建

该研究以课题组前期富集得到的天然木质纤维素降解菌群EMSD5为基础。该菌群在超过100次传代中表现出较高的结构与功能稳定性，能将木质纤维素中难以降解的半纤维素组分高效地转化为异丙醇（Liu et al., Bioresour Technol, 2019），展现出极高的工业应用潜力。在此基础上，团队结合多组学分析及共培养实验，发现非降解菌不仅非被动依附者，反而可通过提供厌氧环境和必需营养因子（如生物素）来重塑降解者的生态位，成为菌群稳定的重要贡献者。

进一步研究表明，降解者之间通过胞外酶的底物特异性实现分工协作，同时，它们还采取了两种策略——资源分化与酶表达下调——来共同限制水解产物泄露，避免非降解者的过度利用，维持群落结构与功能的稳态。在此基础上，研究团队将降解菌的关键木聚糖酶基因异源表达于E. coli，并与异丙醇产生菌协同设计出具有明确分工和代谢互利关系的合成菌群（如图示）。该系统不仅能够稳定、高效地将半纤维素转化为异丙醇，还验证了自然互作机制工程化的可行性。

该研究通过对微生物互作机制的精准解析与重构，深化了我们对多聚物降解菌群稳定性机制的理解，并为合成微生物系统的理性设计与功能优化提供了新范式，具有重要的生态学意义与生物制造应用前景。

生物学院博士后刘亮为文章第一作者，袁红莉教授与杨金水副教授为共同通讯作者。田长富教授（中国农业大学）、王淼啸研究员（电子科技大学）、罗莹博士后（中科院微生物所）、汪恩涛教授（墨西哥国立理工大学）以及黄娅茹、姜婷婷、赵宏文、余启军等参与了研究工作。研究过程中，亚利桑那州立大学Glen D’Souza教授提供了重要建议，中国农业大学动物医学院汪洋教授提供了宝贵的实验材料支持。项目获国家重点研发计划及中国农业大学“2115人才发展计划”资助。