微生物生态学(Microbialecology)研究的主要问题是微生物与环境之间的相互作用。在自然微生物群落中，微生物的生存与进化常受到所处生物环境(Biotic environment)与非生物环境(Abioticenvironment)的影响。受限于自然微生物群落复杂的背景因素，过去的微生物生态学中关于微生物与环境间相互作用机制的研究常受到一定制约。在此背景下，有研究者利用合成生物学手段构建了背景变量单一的人工群落，并借助这样的人工群落对生态学机制展开了研究。合成生态学(Synthetic ecology)就是在这种研究思路下产生的一门新兴学科。合成生态学是处于合成生物学与微生物生态学之间的交叉学科。合成生态学将合成生物学技术手段和生态学原理相结合，旨在构建稳定可控的合成微生物群落，进而实现特定生物学功能或从理论上探讨生态学问题。合成群落的构建为我们提供了一种自下而上的研究思路，为微生物生态学中许多问题提供了新的研究视角。合成群落的构建是合成生态学研究的基础，而构建合成群落的关键则是微生物间相互关系的建立。
　　在本研究中，我们首先基于微生物基因敲除和构建群体感应自杀质粒相关技术，使用模式微生物大肠杆菌(Escherichia coli)设计并构造了具有不同菌株间相互关系的合成群落。结合实时荧光定量PCR(qPCR)和高效液相色谱(HPLC)等测量方法，我们通过以下两个生态学问题的研究，分别探讨了合成生态学方法在微生物与生物环境及非生物环境相互作用相关研究中的应用。本研究中的研究内容包括：(1)具有互养关系的合成群落维持合作关系稳定、限制欺诈者的生态机制(2)合成群落中的微生物间相互作用如何影响微生物呼吸对温度变化的响应。本研究主要取得了以下成果：
　　1.提出了构建微生物间相互作用的方法框架。
　　本文成功构建了微生物间的促进关系与抑制关系，并将这些关系组合成了微生物间不同类型的相互作用。本文利用基因敲除技术构建了大肠杆菌对于特定氨基酸的营养缺陷型菌株以及过量生产者菌株，后者对于前者的生存具有促进作用；本文通过群体感应诱导的自杀基因构建了大肠杆菌菌株之间的抑制关系。通过微生物间促进与抑制关系的构建与组合，本文阐述了合作、捕食、竞争等微生物间相互作用的一般性构建方法。该方法对于复杂合成群落的构建具有借鉴意义。
　　2.在具有合作关系的合成群落中发现了合作者的选择效应。
　　本文通过合作者与欺诈者菌株的构建，研究了合成群落中合作者应对欺诈者的策略，发现了合作者的选择效应，即互养关系中的合作者倾向于选择公共产品产量更高的合作伙伴开展合作。通过合作者与欺诈者的共培养实验，我们阐述了合成群落中合作者与欺诈者获取公共产品的不同方式，并通过欺诈者有限的公共产品获取结合微生物对不同公共产品的需求量解释了不同生态位下欺诈者不同的表现。我们发现，相比于需求量较低、合成消耗较高的公共产品(如色氨酸、甲硫氨酸)，需求量较高、合成消耗较低的公共产品(如精氨酸)更不容易受到欺诈者的影响。在外源公共产品添加实验中，我们进一步发现互养关系的两个生态位之间会相互影响，这一发现进一步验证了合作者选择效应。通过互养群落的实验进化与模型模拟，我们进一步阐明了合作者选择效应能够帮助微生物群落在进化过程中维持合作关系的稳定。
　　3.结合博弈论构建了具有合作者选择效应的微生物合作模型。
　　结合博弈论中的理论工具，我们构建了具有合作者选择效应的微生物合作模型。通过模型模拟，本文在理论上探讨了不同程度的合作者选择效应下合作关系的稳定性。本文还通过该模型进一步探讨了合作关系的进化过程以及公共产品类型对合作关系的影响，得出了合作关系在长期进化中维持稳定的条件。
　　4.发现了合成微生物群落对升温的响应受到微生物间相互作用的影响。
　　通过对具有不同微生物间相互关系的合成群落开展升温实验并测定培养过程中有机碳源的消耗，本文首次阐述了微生物间相互作用对微生物群落响应温度变化的影响。本文发现具有捕食关系的合成群落对温度变化的响应程度显著高于由单一菌株组成的群落。这一结论有助于我们更好地理解微生物群落对气候变化的响应机制，对未来气候变化的应对具有参考价值。
　　综上所述，本文利用基因工程手段构建了具有不同相互作用的大肠杆菌合成群落并提出了合成群落构建的一般性方法。基于不同的合成群落，本文以两个具体的生态学问题为例探讨了合成生态学方法在微生物生态相关研究中的应用。本文在具有合作关系的合成群落中发现了合作者选择机制，并通过生态博弈模型对这一机制进行了理论层面的研究；本文还发现具有不同相互关系的合成群落中微生物呼吸对温度变化的响应有所不同。通过这两个具体的生态学问题，本文分别从微生物群落与生物环境、非生物环境相互作用的角度，展示了合成生态学的一般性研究思路，对未来的合成生态学研究具有启示作用。