在自然界和农业生态系统中，微生物群体普遍以生物膜（Biofilm）这一功能化聚集体形式定殖共存，系统解析生物膜微环境内微生物间的互作模式及其共进化动态特征，是阐明微生物群落生物学功能的关键理论支撑。生物膜由微生物细胞及其分泌的胞外基质构成，其中的胞外多糖等“公共物品”支撑着生物膜的稳定性。不同菌株在生物膜中既可能形成互利合作，也可能因资源竞争和利用者（exploiter）的出现而改变群落结构和进化方向。尽管单菌生物膜的实验进化已有大量研究，但在多菌共存环境下，受益菌（无法单独形成稳固生物膜）如何影响生物膜形成菌的进化轨迹仍不清楚。

近日，南京农业大学沈其荣院士团队联合荷兰莱顿大学Ákos T. Kovács教授在ISME Journal发表最新研究成果。该研究以贝莱斯芽孢杆菌SQR9（Bacillus velezensis）与与降解斯氏单胞菌XL272（Stutzerimonas degradans，原Pseudomonas stutzeri）构建的双菌生物膜体系为模型，通过18轮实验进化、表型分析、基因组测序和“进化重演”实验，系统揭示了种间互作如何驱动生物膜表型分化及突变演替。

图1 实验设计

实验进化证明：生物膜受益菌能够显著改变生物膜形成菌的进化方向。在单独进化条件下，芽孢杆菌群体主要通过提高自身胞外多糖产量形成“粘稠型”表型以维持生物膜稳定；而在共培养条件下，受益菌分泌的胞外多糖为芽孢杆菌群体提供了额外的公共基质，使低产胞外多糖的“粗糙型”获得适应性优势，逐渐在群体中占据主导。进一步的“进化重演”实验证明，受益菌cpsA基因突变导致胞外多糖产量上升，是促进粗糙型固定并改变芽孢杆菌进化轨迹的关键驱动力。

图2 进化策略

本研究从实验进化角度揭示了种间互作如何塑造微生物群落的进化路径与表型分化，为理解多种群微生物社会进化提供了新视角，也为农业和环境微生物群落的定向调控提供理论参考。

南京农业大学沈其荣院士、徐志辉教授与莱顿大学Ákos T. Kovács教授为论文共同通讯作者，钟山青年研究员孙新丽和徐志辉教授为共同第一作者，张瑞福教授为本研究提供了系统的指导，德国奥斯纳布吕克大学Christian教授为在进化理论层面给予了指导。研究得到国家自然科学基金青年项目、中国博士后科学基金的资助。

全文链接：https://doi.org/10.1093/ismejo/wraf160