代谢性交叉取食是一种普遍存在的微生物相互作用类型，影响群落的稳定和功能，并对碳和能量的流动具有指导意义。2023年9月，南京农业大学资源与环境科学学院有机固体废弃物资源化利用协同创新中心Zhan-Biao Ge等人在The ISME Journal（IF=11.0）期刊上发表了题为“Two-tiered mutualism improves survival and competitiveness of cross-feeding soil bacteria”的文章。

该研究确定了两种土壤细菌——芽孢杆菌属BP-3(Bacillus sp)与代尔夫特菌属DT-2(Delftia sp)参与的两级互惠关系。首先是菌株间的“变废为宝”，菌株BP-3对丙酮酸的利用能力较低，而菌株DT-2缺乏己糖激酶和磷酸转移酶系统，对葡萄糖的利用存在缺陷。当菌株BP-3与葡萄糖分离生长时，它会向环境释放丙酮酸，导致酸化并最终自我杀死。然而，当菌株BP-3与菌株DT-2一起生长时，菌株DT-2利用释放的丙酮酸来满足其能量需求，从而使菌株BP-3从丙酮酸诱导的生长抑制中解脱出来。另外，这两种细菌利用砷作为武器，进一步增强了它们与其他微生物的集体竞争力。菌株DT-2将相对无毒的甲基砷化物[MAs(V)]还原为剧毒的甲基砷化物 [MAs(III)]，杀死或抑制竞争对手，而菌株BP-3通过甲基化将MAs(III)解毒为无毒的二甲基砷化物 [DMAs(V)]。当菌株DT-2和BP-3一起生长时，这两种砷转化得到增强。这两种菌株及其近亲广泛共存于土壤中，其丰度随土壤砷浓度的增加而增加。此研究结果表明，这些细菌类型采用双层互惠关系来确保其集体代谢活动并保持其与其他土壤微生物的生态竞争力。这些发现揭示了细菌相互作用的复杂性及其在生态系统功能中的作用。

图1. 芽孢杆菌BP-3产丙酮酸及其对培养基酸化的影响。A，DT-2和BP-3的单培养和共培养培养基的pH值，，对照组为不含细菌的ST10-1培养基。B，不同pH的DT-2培养上清液对BP-3在琼脂板上生长的影响。BP-3在处理过的培养基中生长2天。对照组为新鲜ST10-1液体培养基10 mL。C，BP-3上清的LC-MS色谱图。D，BP-3上清液中保留时间为0.7 ~ 1.4 min洗脱化合物的质谱图。E，添加或不添加5.0 mM葡萄糖时BP-3培养基中丙酮酸浓度的时间过程。F，丙酮酸(0.6 mM)对培养基pH值的影响。E和F对照组使用不含细菌且添加5.0 mM葡萄糖的ST10-1培养基。数据以平均值±标准误差(n = 3)表示。p < 0.05 (Tukey’s检验)。

图2. DT-2和BP-3在单一或共培养中对砷化合物的转化。DT-2和BP-3在单培养和共培养中对MAs(V) (A, C)和MAs(III) (B, D)的转化。两株菌株分别在含2.0 μM MAs(V)或MAs(III)的ST10-1培养基中培养2天。对照组不含细菌。HPLC-ICP-MS法测定不同砷种。数据以平均值±标准误差(n = 3)表示。

图3. 芽孢杆菌和代尔夫特菌在碳代谢和砷转化中的交叉取食相互作用的说明性模型。两层相互作用使交叉馈线在环境中获得竞争优势。

DOI号：10.1038/s41396-023-01519-5

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41396-023-01519-5