微生物是地球上最古老、分布最广、多样性最丰富的生命形式之一。它们虽然个体微小难辨,但却在陆地和海洋生态系统物质循环和能量流动过程中发挥着重要作用。自然环境中,微生物个体很少单独存在,而是彼此聚集在一起形成庞大且高度动态的群落;它们通过细胞间不断的物质、能量和信息交流,相互作用形成错综复杂的生态网络,这些复杂的网络对于理解生态系统的结构和功能至关重要。然而,受限于自然微生物群落的复杂背景以及缺乏拆解种间相互作用的有效工具,理解复杂的微生物生态网络一直是一个巨大的挑战。新近,基于合成生物学与生态学的交叉融合,利用自下而上（Bottom-up）的方式,人工构建合成微生物群落（Synthetic microbial community）,为探究微生物生态互作网络提供了一个崭新视角。尽管已有少许研究利用合成群落来探讨微生物种间相互作用,但其工作多局限于一种或两种特定相互作用类型（如合作和竞争）,不足以阐明自然微生物群落中复杂的相互作用网络。因此,一套能够兼容不同生态互作类型、且能够有效并系统研究复杂微生物种间相互作用的实验体系有待研发。在本研究中,我们利用大肠杆菌突变株,以构建的模块单元为基础,组装具有不同生态互作关系的微生物群落,并建立不同数学模型定量化描述微生物种群动态。具体研究目标如下:（1）构建具有可调控的、不同生态互作关系的合成微生物群落;（2）建立不同的微生物动力学模型框架;（3）基于合成群落探讨种间相互作用如何影响种群对外界干扰的响应。研究取得的主要成果如下:1.成功构建具有不同生态互作关系的合成微生物群落通过本研究中人工构建的微生物实验体系,可以快速组装获取具有不同生态互作关系的合成微生物群落。首先,利用阅读框敲除法和重组质粒等分子生物学技术,对模式微生物大肠杆菌（Escherichia coli）进行基因编辑,构建氨基酸营养缺陷型和过表达菌株,以及群体感应系统中的发送者和接收者,进而构建基于代谢作用的促进模块和基于群体感应的抑制模块。其次,通过组装这两个工程模块,成功构建了具有偏利共生、偏害共生、合作、竞争和捕食关系的合成微生物群落。2.探讨并展现合成微生物群落所具有的可调控性在成功构建的具有不同生态互作关系的合成微生物群落基础上,进一步探究了相互作用的可调控性及其对群落动态的影响。通过设计具有不同初始培养条件的共培养实验,发现:一方面,可以通过人工调控两个工程模块,在同一对菌株间实现捕食、偏利共生、偏害共生和竞争关系的转变;另一方面,具有捕食关系的合成微生物群落在一定的初始接种条件下,会表现出独特的种群动态模式,群落会呈现崩溃、捕食者占据优势以及被捕食者占据优势等截然不同的动态模式。3.构建并比较了三种不同的微生物动力学模型基于微分方程组（Ordinary differential equations,ODEs）,构建了广义LotkaVoterra、化学物质介导和综合模型三个不同的微生物动力学模型框架。首先,通过实验与模型结果的直观对比,发现三个模型均能较好地定量描述实验观测到的具有不同互作关系的合成群落种群动态。其次,通过计算赤池信息准则（Akaike Information Criterion,AIC）和贝叶斯信息准则（Bayesian Information Criterion,BIC）,综合评价模型表现性能,发现在描述偏害共生和捕食关系种群动态时,综合模型具有更好的表现。4.微生物间相互作用影响种群对外界干扰的响应首先,利用成功构建的具有不同互作关系的合成微生物群落,开展抗生素干扰实验,探究种间相互作用对种群稳定性的影响。实验结果表明,参与不同生态互作的微生物对抗生素干扰的响应不同。其中,只有参与偏害共生和捕食关系的R-Δarg R菌株的抵抗力有所增强,与单培养相比分别提高了167%和34.6%。其次,借助数学模型探究相互作用影响种群抵抗力的生态机制,发现环境压力会随着正相互作用的方向积累,随着负相互作用的方向减弱。综上所述,我们成功构建了具有不同生态互作关系的、且具有一定可调控性的合成微生物群落;利用该实验体系对微生物群落响应外界条件变化进行了初步探讨;并通过构建微生物动力学模型,定量化描述合成微生物群落的种群动态。研究成果为设计与构建具有可控性、可操作性的微生物实验系统提供了新思路,也为进一步探究重要的生态学问题开辟了可能的实验途径。