2022年1月10日，《自然·通讯》（Nature Communications）在线发表了环境科学与工程学院温东辉教授与清华大学杨云锋教授、美国俄克拉荷马大学周集中教授合作的最新研究成果“Nutrient supply controls the linkage between species abundance and ecological interactions in marine bacterial communities”报道了关于生物、非生物因素影响微生物群落中优势或稀有物种分化的研究结果。

图a 近海沉积物和大洋海水微生物群落数据来源分布地图；图b 微生物互作网络模型及优势、稀有物种之间的正负关联性；图c “饥饿游戏”假说的概念框架图

环境中微生物群落的物种多样性极高，但优势物种（即高丰度物种）很少，绝大多数为相对丰度低于0.1%甚至0.01%的稀有物种。一般认为，优势物种和稀有物种在营养策略、环境适应性等方面差异很大，但对于生物、非生物因素如何调控群落中不同物种的丰度尚无清晰认知。温东辉课题组在多年杭州湾微生物生态学研究的基础上，对全球243个近岸沉积物（富营养环境）和139个大洋海水（贫营养环境）的微生物多样性进行了比较研究。研究发现近岸沉积物中的优势物种多为富营养型（copiotrophs），其rrn基因拷贝数高、生长速度快，是微生物群落中的“机会主义者”；大洋海水中的优势物种则多为寡营养型（oligotrophs），其rrn基因拷贝数低、生长速度慢，能够高效利用有限资源维持生命过程，是微生物群落中的“马拉松运动员”。通过构建分子生态网络，研究发现富营养环境中快生长菌“数强独大”，慢生长菌被“竞争排除”；而在寡营养环境中，微生物更倾向于通过“抱团合作”来缓解资源限制、维持生命过程。由此，研究者提出了以环境营养供给、个体生长策略、种间相互作用为核心的“饥饿游戏”假说。为了验证这一假说，研究者进一步设置不同营养供给水平的微宇宙模拟实验体系，确证了营养供给对不同策略型微生物的选择及其相互作用关系的影响。“饥饿游戏”假说综合了环境选择理论（environmental selection theory）、生长速率假说（growth rate hypothesis）、进化博弈论（evolutionary game theory）、生态位构建理论（niche construction theory）、压力梯度假说（stress gradient hypothesis）等已有生态学理论和假说并进行了拓展和延伸，清晰阐释了生物、非生物因素协同作用调控微生物优势/稀有物种多样性构建的生态机制。

环境科学与工程学院2019届博士毕业生代天娇（现为清华大学环境学院博士后）为论文的第一作者，温东辉和杨云锋为共同通讯作者。该工作得到国家自然科学基金（项目编号：41825016、51938001、42007291），科技部重点研发计划（项目编号：2019YFC1806204）和清华大学“水木学者”计划等项目支持。