合成生态系统中的种群关系模拟开题报告

1. 研究目的与意义、国内外研究现状（文献综述）

1. 课题意义及国内外研究进展

随着人们对微生物群落对人类健康、环境和农业产生深远影响的认识不断加深，理解和控制复杂的微生物生态系统已经成为微生物群落科学的一项重要任务。合成微生物生态系统因其结构简单、组成灵活、长期可实验性强、成本低等优点，常被用于生态学理论的探索[1]。当合理设计和构建时，合成微生物生态系统可以表现出在各种大型生态系统中观察到的复杂行为。如生物多样性的时间、空间分布等[2]。如果合成微生物生态系统的组成部分被操纵，可以进一步探索改变系统复杂性的结果。在过去的十年中，开发了一系列这样的合成生态系统，使其能够用于诸如产生特定的生态动力[3-7]、促进物种生长[8, 9]和合成有价值的化学物质[10, 11]等各种应用。

微生物生态系统的快速进化特性也使得对生态系统进化和动态行为的有效探索成为可能。一个这样的例子是进行人工改造后的捕食者-被捕食者微生物生态系统的进化，其中快速的进化改变了系统的种群动态[12]。尽管使用这些合成生态系统探索大型生态系统仍然存在争议，但微生物生态系统被广泛视为验证一般生态学理论的有力工具[1, 13]。另外，关于单个微生物的研究文献已经非常的多[14]，许多微生物有机体的遗传信息的迅速增加使得合成微生物生态系统获得部分遗传分析，并为发展与已建立的生态理论相对应的遗传理论提供了初步的实验数据[15, 16]。因此，合理设计具有已知和明确遗传背景的合成微生物生态系统将是生态研究的有价值的工具[17, 18]。

2. 研究的基本内容和问题

1. 研究目标

构建合理数学模型，利用模型模拟出种群变化曲线，探究模型参数对种群变化的影响。

2. 研究内容

3. 研究的方法与方案

1. 研究方法

在本研究中，我们使用基因重组法构建了大肠杆菌对精氨酸、色氨酸和甲硫氨酸的营养缺陷型菌株和过量合成菌株。通过将这些突变株共同培养，我们构建了两套基于不同氨基酸的合作系统：一套基于精氨酸与甲硫氨酸的互养系统，另一套基于精氨酸与色氨酸的互养系统。其中，过量合成精氨酸甲硫氨酸缺陷型的双突变株和过量合成甲硫氨酸精氨酸缺陷型的双突变株以及过量合成精氨酸色氨酸缺陷型的双突变株和过量合成色氨酸精氨酸缺陷型的双突变株作为系统的合作者。利用这个创建的微生物互养模型来模拟微生物合作共生：基因编辑的大肠杆菌双突变株合作者a和合作者b均缺少一个氨基酸的表达，并且过量表达对方所需要的氨基酸，它们无法独自在m9-葡萄糖培养基中存活，从而形成一个微生物互养模型。

由于在构建菌株中我们向各个菌株中引入了特异性的barcode序列，我们可以通过绝对定量实时定量qpcr的方法（real timequantitative polemerase chain reaction）来定量体系中各个菌株的丰度。

4. 研究创新点

合成微生物生态系统的实验周期一般不超过14小时，利用模型可以进行种群变化的长时间模拟和预测。另外本实验还对菌株各项参数进行了检测，通过分析可以得出不同参数对于种群变化的影响，由此可能更有助于了解影响种群合作关系的因素。

5. 研究计划与进展

1. 研究计划

2020.02 - 2020.03 文献阅读和完善具体试验方案