基于大數據繪制全球微生物組轉化網絡 發表于《美國微生物學會會刊》上

在自然界的各種生態系統中，微生物以群落即微生物組的形式廣泛存在并相互作用，從而深刻地塑造著地球生物圈的功能。記者8月8日從中國科學院青島能源所獲悉，該所單細胞中心提出了一種基于大數據搜索的理論模型，通過建立一個全球性的微生物組相互轉化網絡，從多個尺度探索不同生態系統之間菌群的內在關聯與演化規律。相關成果近日發表于《美國微生物學會會刊》上。

人類和哺乳動物的演化歷程，可通過各種地質年代遺留下來的化石及其中蘊含的古DNA來揭示。但是在漫長的時光旅程中，各種生態系統中菌群演化與互作的痕跡往往已湮滅殆盡。

為從全球尺度上重現與理解微生物組間的演化途徑和互作過程，中國科學院青島能源所荊功超和青島大學張玉鳳等組成的研究小組提出一個理論模型：微生物組可通過改變其內諸多物種的組合和數量比例等方式相互轉化，以適應各種生存環境與選擇壓力。因此，微生物組的演化與互作等關系，能基于其結構相似性進行推測。

基于這個模型，研究人員運用前期開發的微生物組搜索引擎(MSE)，基于微生物組結構的相似性高低，構建了首個全球性“微生物組相互轉化網絡(MTN)”。該全局性網絡的節點包含177022例菌群樣本、113億條16SrRNA序列，來自于從人體各個部位到各種生境的20大類生態系統。

有趣的是，與現實中社會人際網絡等相似，MTN也是一種無標度網絡。此類網絡的典型特征是，大部分節點只和很少節點連接，而有極少的節點卻與非常多的節點連接。這種“樞紐”節點的存在，使得此類網絡對意外故障有強大的承受能力，但面對協同性攻擊時則顯得脆弱。因此，MTN的無標度網絡特性，為目前地球上微生物組的多樣性成因與意義提供了一個全新的理論視角與原理詮釋。

令人意外的是，在MTN中，雖然微生物組的結構與其各自迥異的生態系統有著顯著的關聯性，但每個菌群與任一其他菌群之間平均只相距“七”步，也就是，通過6個“親戚”，便可實現相互轉化。因此，微生物組在全球范圍上具有其內在的同源性。這一發現，對于重構歷史上曾經存在過的微生物組或設計全新的菌群，具有指導意義。

研究人員還基于MTN繪制出了全球尺度、單個菌群精度的“微生物組相互轉化路線圖”，從而刻畫了在不同生態系統內部與之間，每個微生物組最可能的演化途徑和互作過程。例如，該路線圖表明，海洋最有可能與靠近海岸的魚類等非哺乳動物交換菌群成分，而沙土和淡水則是植物和人體與自然界進行菌群交換的“門戶”。因此，這一路線圖將成為研究微生態系統間互作機制的新工具。

隨著全球環境的變化和人類文明的進程，每天有無數菌群從地球上消失，同時也有無數的菌群浮現出來。得益于其長期的菌群數據積累和高效的計算比對能力，MSE能夠于數小時內、在一臺個人計算機上，針對新出現的菌群數據點進行MTN的全局更新。因此，運用MSE，研究人員將持續拓展與更新MTN，并開發多尺度全方位的可視化系統，從而為微生物組的起源、演化與互作研究提供基于大數據的理論模型和計算工具。