中国科学院生态环境研究中心刘斌研究员等在微生物群落动态演替与稳态切换机制研究方面取得了新进展，相关研究成果以“Emergence of alternative states in a synthetic human gut microbial community”为题发表于Nature Communications (DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-025-67036-5)。
生态系统在受到扰动时如何维持稳定，以及为何会突然发生状态转换，一直是群落生态学研究的核心问题。在微观世界中，微生物群落是否具有“多重稳态”特征，以及这些稳态背后的形成机制，对于理解自然界微生物群落的演化、韧性及人工调控具有重要的理论价值。生态学经典理论指出，由于物种间的相互作用（如互利共生或竞争）以及与环境的反馈调节，生态系统可能存在多个稳定状态。然而，在极其复杂的微生物生态系统中，直接观测稳态的切换并解析其底层机制极具挑战。过去的研究多依赖于对自然样本的观测分析，难以剥离复杂环境变量的干扰，从而无法从动力学角度给出严格的机制解释。为了系统探究微生物群落的多重稳态机制这一科学问题，研究团队构建了一套由多种核心功能物种组成的合成微生物群落，通过精准控制初始丰度、营养输入和扰动频率，在实验室条件下重现了群落的多种稳定状态。本研究的主要发现包括：1.相同的初始物种组成在不同的起始比例或微弱的环境波动下，会收敛至截然不同的稳定终态，这证实了微生物生态系统具有强烈的初值敏感性；2.通过对群落代谢产物（如短链脂肪酸）和环境因子（如pH值）的实时监测，研究发现物种间的交叉喂养（cross-feeding）与环境pH的动态变化形成了非线性反馈回路，这种“物种-环境”的耦合作用是维持不同稳态的核心动力；3.研究识别出了群落从一个稳态向另一个稳态转换的临界点。当环境压力（如营养源切换）超过阈值时，群落会发生“政权更迭（regime Shift）”，且伴随着明显的滞后效应（hysteresis）。
本研究以可控的合成生物学体系为基础，通过结合微生物机理模型与流式单细胞技术，发现了同一物种不同亚种群之间的表型转换决定了群落多重稳定状态的涌现。本研究成功验证了非线性动力学理论在微观生态系统中的普适性，深化了对微生物生态学的理论认知。同时，从生态韧性角度，揭示了微生物群落如何通过内部相互作用缓冲外界扰动，为理解自然界复杂系统的稳定性、恢复力和崩溃风险提供了关键的理论依据。虽然本研究主要采用人体肠道微生物物种作为模型，但其揭示的“相互作用-代谢反馈-稳态切换”的理论框架，对于陆地、水域等各类包含微生物群落的生态系统研究均具有重要的借鉴意义。
图. 通过构建合成菌群解析生态系统的多重稳态机制
本研究由中国科学院生态环境研究中心、比利时鲁汶大学、法国国家农业科学研究院、比利时布鲁塞尔自由大学等多家单位共同合作完成。中国科学院生态环境研究中心刘斌研究员为该论文的共同第一作者。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-67036-5
环境生物技术实验室
2025年12月31日