肠道细菌也有“分工”！华大CycloneSEQ揭开菌群内部的生存江湖

我们的肠道里生活着数以万亿计的微生物，它们并不是各过各的，而是更像一个庞大而繁忙的“菌群社区”：有的擅长制造营养物质，有的依赖邻居“投喂”，还有的会竞争同一种“食物”……这些看不见的代谢交换，决定了整个社区能否稳定运转，也间接影响着人体健康。

过去，研究人员常通过“哪些菌经常一起出现”来推测它们的关系，但总是碰面并不代表它们就是合作伙伴。要想真正厘清细菌之间的关系，首先得搞清楚：每株细菌具备哪些代谢能力。

近日，由华大生命科学研究院牵头建设的基因组多维解析技术全国重点实验室，联合华大营养等单位，在国际学术期刊《细胞报告》（Cell Reports）发表最新研究成果。研究团队基于华大自主研发的CycloneSEQ长读长测序平台结合DNBSEQ短读长测序技术，采取长短读长混合组装策略，获得了1150个细菌基因组完成图，构建了高质量的基因组规模代谢模型，进一步描绘出肠道细菌之间的代谢竞争与互补关系网络，并试图回答一个更接近生态本质的问题：肠道里的不同细菌是如何一起生活的？

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用细菌基因组完成图拼出

完整的“代谢地图”

如果把细菌的全部代谢能力比作一张城市交通图，那么细菌基因组草图就像一张没有拼完整的地图——大部分主干道都有，但很多小路、出入口和交通枢纽还处于缺失状态。

对代谢研究而言，这些“出入口”非常关键：细菌需要通过它们把糖、氨基酸、铁等物质运进细胞，同时释放自身的代谢物。一旦丢失某个关键运输基因，模型就会误以为某条“物质通道”不存在。

研究团队将细菌基因组完成图与其对应的草图逐一比较，结果发现：完成图模型额外恢复了4764个草图模型中缺失的代谢反应，其中一部分与物质运输有关。这意味着，细菌基因组完成图的价值不仅是“序列更长、拼得更完整”，更是减少基因碎片带来的误判，让人看清一株细菌“能吃什么、能做什么、能分享什么”，帮助我们拼出更完整的“代谢地图”。

完成图能够减少碎片化带来的干扰，并恢复更多与物质运输和生态适应相关的代谢功能

肠道菌群也有“分工”：

谁在“生产”，谁在“索取”？

拥有更完整的“代谢地图”后，研究团队进一步计算了细菌两两之间的关系：“代谢竞争”，就是关注两株菌是否争夺相似资源；“代谢互补”，则是关注一株菌的产物能否成为另一株菌所需要的资源。

结果显示，不同细菌扮演的角色并不相同。根据代谢竞争和互补关系，研究人员将这些细菌划分成以下四类“社区居民”。

✅活跃参与者：频繁参与资源竞争和交换

✅资源捕食者：抢夺资源能力很强，擅长争夺有限资源

✅资源利用者：善于利用外界提供的物质来生存

✅资源贡献者：基因组更大、代谢能力更丰富，可以为菌群社区提供“公共资源”

并且这种“分工”不是简单按照细菌物种名称决定的，还需从菌株层面的具体差异来看。

依据代谢竞争与互补关系，将肠道细菌分为四类角色

同一种菌，也可能有不同“性格”

研究还发现，即使属于同一物种，不同菌株与其他微生物之间的代谢关系也有巨大差异。以长双歧杆菌为例，不同菌株在真实菌群中承担的功能并不一样：一类菌株能向另一类菌株提供L-阿拉伯糖等代谢资源；在模拟的双菌共培养条件下，一些单独生长困难的菌株，与另一亚群菌株共同培养后恢复了生长。

这给益生菌研究带来重要启发，未来或许不能只问“补哪种菌”，还要追问“是补哪一株菌？它需要哪些伙伴？进入菌群后，是与其他成员竞争还是互补？”

同一物种内部也存在明显的菌株代谢差异：长双歧杆菌不同菌株可形成不同代谢亚群，并呈现不同的竞争与互补潜力

从“单一补菌”到“修复肠道生态网络”

过去十余年，人类微生物组研究大多聚焦于“肠道里有哪些菌”。随着细菌基因组完成图、培养组学和长读长测序不断发展，我们开始更深入探索：这些菌为什么能一起生活？谁供养谁？哪些关系断裂会影响菌群稳定？

这项研究的贡献在于把单个细菌的基因组信息转化为代谢能力，再搭建起菌群功能网络。未来的微生态干预，或许不再依赖单一“明星益生菌”，而是根据个体原有菌群，选择能够补充缺失功能、形成合理代谢协作的菌株或菌株组合。

目前这张代谢关系网仍有部分来自计算模型预测，后续还需通过体外共培养、无菌或定植动物模型等实验进一步验证。但借助细菌基因组完成图，我们正逐步把肠道这个复杂生态系统的更多细节拼接出来。

这套大规模、高质量的细菌基因组完成图集合，离不开华大CycloneSEQ长读长测序平台的技术支撑，凭借其超长读长优势，跨越基因组重复、高GC等复杂区域，结合DNBSEQ高精度短读长进行纠错校正，实现大批量菌株的基因组完整成环，为本研究构建代谢模型提供坚实的数据底座，也证明国产长读长平台可规模化产出微生物完成图。

此外，大规模细菌完成图构建技术还可以赋能益生菌筛选、菌株功能解析、安全性评估、微生态制剂开发等产业场景，打通从基础科研到产业应用的转化链路。该技术除了用于人体肠道微生物研究，未来还可拓展到畜禽养殖、环境微生物、病原微生物鉴定等领域，为国内微生物产业提供自主可控的长读长测序工具支撑。

依托华大在肠道菌群研究和人源共生微生物资源方面的长期积累，华大营养正推动微生态研究从“认识菌群”走向“精准调控菌群”，现已推出基于宏基因组检测的“益人益方”个性化肠道健康管理方案，并构建“菌元同补”生态修复体系，通过个性化益生菌与益生元组合，兼顾菌株间代谢协作与个体肠道微生态适配性。本研究揭示了肠道细菌之间精细的代谢互作关系，也为开展基于菌株功能与菌群生态网络的精准微生态健康管理，提供了新的科学思路。

基因组多维解析技术全国重点实验室邹远强研究员、华大营养首席科学家肖亮、普洱学院赵峰教授、昆明医科大学孙杨教授为论文共同通讯作者。基因组多维解析技术全国重点实验室顾雨铮助理研究员、中国科学院大学-深圳华大生命科学研究院联合培养博士研究生王浩宇、云南华大基因研究院杨金龙、杭州华大序风曾涛为论文共同第一作者。本研究严格遵循相关伦理规范，已获得国家自然科学基金、国家重点研发计划、基因组多维解析技术全国重点实验室、云南省创新团队、深圳市人体共生微生物和健康研究重点实验室、山西医科大学-华大未来医学联合研究中心等项目的支持。

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