膳食纖維對人體健康有著深遠的影響，高膳食纖維攝入可降低肥胖、炎癥性腸病、結直腸癌等多種**的風險。越來越多的證據表明，對腸道菌群的調控是膳食纖維發揮其對人體健康有益作用的重要途徑。值得注意的是，腸道菌群不是許多各自獨立的微生物湊在一起，而是一個在資源競爭、營養共生和群體感應等相互作用機制下形成的復雜生態系統。因此，在復雜環境中對特定微生物進行調節，通常會牽動整個生態系統，菌群微生物的應答變化很大程度上取決于微生物之間存在的競爭、互惠等生態互作關系（圖1）。

研究團隊通過生態動力學模型，解析膳食纖維干預下腸道菌群應答的生態學機制。以廣義Lotka-Volterra（gLV）模型為框架，擬合小鼠腸道菌群在膳食纖維干預后的動態變化，推斷膳食纖維干預下生長速率有顯著響應的關鍵微生物和不同微生物之間的互作關系。通過這一方法，該團隊成功推斷了小鼠腸道菌群中膳食纖維代謝功能的關鍵響應菌，以及關鍵微生物之間的互作關系。當關鍵微生物缺失時，膳食纖維對腸道菌群的調控作用可能會“失效”（圖2）。

研究團隊進一步將生態學模型用于分析人體腸道微生物組在膳食纖維干預下的時序數據，成功推斷出具有菊粉代謝功能的青春雙歧桿菌。此外，發現了青春雙歧桿菌與糞便擬桿菌之間存在的競爭關系，并通過體外培養實驗進行了驗證（圖3）。

針對膳食纖維干預下腸道菌群的個性化應答現象，研究結合時序數據與數學模型，深入解析腸道菌群的生態學規律。該研究揭示了微生物生態網絡對于理解與預測腸道菌群應答的重要性，為開發生態層次的靶向調控手段奠定了理論基礎。相關研究工作得到國家自然科學基金面上項目、中國博士后科學基金及深圳合成生物**研究院的資助。