南京农业大学沈其荣院士团队CHOM:从对手到盟友!土壤原生动物的捕食压力促使细菌走向合作 | Cell Press对话科学家

CellPress：

这项研究最初想解决的核心科学问题是什么？

熊武教授：

我们想回答一个长期被“默认存在”，却一直缺乏定量验证的核心问题：在土壤中，大量以细菌为食的原生动物，其持续存在的捕食压力究竟会如何改变细菌群落内部的相互关系？在土壤生态系统中，细菌并不是各自独立地生存。它们会释放多种代谢产物，这些物质有时会被其他细菌“接力”利用，形成彼此支持的代谢互养；但在另一些情况下，不同细菌也可能围绕相同的营养资源展开激烈竞争。换句话说，决定微生物群落功能的关键，不仅在于“哪些细菌变多或变少”，更在于群落内部的关系网络——是资源高度重叠、以竞争为主，还是通过代谢互补实现分工合作。因此，本研究将关注点放在一个更基础、也更直接关联生态功能的过程上，即细菌群落内部的“合作—竞争平衡”。通过回答“原生动物的捕食压力究竟会将细菌群落推向合作还是竞争”，希望进一步理解土壤微食物网如何塑造微生物群落的功能，并为未来开展有针对性的微生物组调控提供更加清晰的理论依据。

CellPress：

为什么要用基因组规模代谢网络模型和群落代谢模拟来研究“原生动物捕食—细菌互作”这一生态问题？

熊武教授：

在以往研究微生物互作时，常用的是共发生网络等方法，主要关注“哪些微生物一起出现”或“某些类群的丰度如何变化”。这类结果更多反映的是相关性——它们可能受到相同环境因子的共同驱动，也可能只是巧合，因此很难直接判断微生物之间是否真的存在功能层面的相互作用。相比之下，基因组规模代谢网络模型关注的是更接近生态机制的层面：每一个群落成员“需要什么营养”、“能够产生哪些代谢物”。将这些信息整合到群落代谢模拟中，我们就可以在同一框架下定量评估细菌之间是围绕相同资源展开竞争，还是通过代谢物交换形成互养关系，从而直接刻画群落内部的功能互作。在本研究中，我们采用了代谢互作模拟中一对互补的核心指标——代谢互作潜力（MIP）和代谢资源重叠（MRO）。其中，MIP用于衡量交叉供养在多大程度上能够替代对外部环境资源的依赖，反映合作强度；MRO则刻画不同成员营养需求的相似程度，反映竞争强度。通过这对指标，我们能够将“原生动物捕食是否促使细菌更合作或更竞争”这一原本偏直觉性的判断，转化为可量化、可比较、并能在不同数据集中反复验证的结论。

CellPress：

论文的“关键发现”是什么？能否用一条逻辑链条概括？

熊武教授：

本论文可以概括为一条从“捕食压力”到“植物表现”的逻辑链条：随着土壤中原生动物多样性的提升，细菌群落内部的代谢互作方式发生系统性转变——代谢合作潜力（MIP）显著增强，而资源重叠程度（MRO）明显降低，表明细菌群落由竞争主导逐步转向合作主导。这一转变不仅在全球尺度土壤样本中被观测到，还在独立的根际数据集和宏基因组分析中得到了一致验证，显示该规律具有较强的稳健性和普遍性。进一步的机制分析表明，原生动物捕食会对细菌群落产生定向的性状过滤效应，增强不同细菌之间的代谢交换与功能耦合。最终，这种由捕食驱动的代谢合作增强，与多种植物促生功能的上调以及植物生长表现的改善形成了呼应。

CellPress：

您如何解释“捕食促进合作”这一看似反直觉的现象？

熊武教授：

我们认为原生动物捕食并不是简单地“减少细菌数量”，而是一种持续存在的生态选择力，会不断重塑群落内部的资源流动和相互关系。在捕食压力下，细菌群落中幸存的成员往往不再围绕同一类资源展开高度同质化的竞争，而是更倾向于通过功能分工和代谢互补来降低直接竞争强度，从而整体上促进合作。

CellPress：

接下来最重要的科学与技术问题是什么？

熊武教授：

我们认为未来的研究可以沿着三条主线推进。第一，是将“合作”从整体指标进一步落实到具体、可验证的代谢物和代谢通路上，明确哪些关键交换过程真正驱动了功能变化和植物表型。第二，是在更真实的田间环境中检验这些规律的适用边界，系统评估在不同土壤类型、管理方式和气候背景下，原生动物对细菌代谢互作的调控是否依然稳定存在。第三，也是更具应用潜力的一点，是逐步形成可转化的“跨营养级微生物组设计原则”，推动微生物组工程从依赖经验的试错模式，走向可预测、可复用的理性设计。

CellPress：

这项工作对根际微生物组工程或农业应用有哪些启示？从应用角度看，如何服务于“根际微生物组工程”和“绿色农业”？

熊武教授：

传统微生物菌剂的思路，更多是在细菌层面做“加法”，即不断叠加功能菌株，但在田间环境中往往稳定性不足，一个重要原因就在于忽略了土壤食物网中的捕食压力以及跨界生物之间的相互作用。我们的研究表明，原生动物并非只是背景变量，而可能是调控微生物群落功能的“关键操控者”。通过捕食作用，原生动物能够推动细菌群落由竞争主导转向合作主导，从而整体提升群落功能和稳定性。这一认识为根际微生物组工程提供了新的设计思路。

从应用角度看，未来具有潜力的路径是采用跨界（cross-kingdom）视角开展微生物组设计：在筛选功能菌株时，不仅关注其单一功能，还同步评估其抗捕食性状以及在群落中的代谢互补策略；同时，将原生动物及其他微生物捕食者纳入调控模块，与功能菌群进行协同设计，构建跨界合成菌群。通过更加符合生态学原理的方式，有望显著提升菌剂在田间环境中的系统稳定性和应用效果，从而服务于可持续的绿色农业。