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首個地球微生物“社會關系”網絡在浙大繪制

發布時間:2020-06-17來源:浙大新聞辦作者:柯溢能41

單個微生物看不見、摸不著,但卻無時不在、無處不在。但微生物的功能絕非“分解者”這么簡單,影響到溫室氣體的、綠色生產的、人體健康的方方面面,其群落組成和功能具有極高的復雜性。

如何更好認識微生物的特性,過去科研人員常常在微觀尺度挖掘其具體特性,但有時如同盲人摸象,只能看到局部。就像人類社會,光是知道一個人叫什么名字,是無法了解人類社會的全貌,要知道人與人之間的關系才能更好描述。

近日,浙江大學徐建明教授團隊通過分析地球微生物組計劃(Earth Microbiome Project)大數據,構建了全球微生物共存網絡,通過對其“社會關系”的分析,首次揭示了地球多種環境中微生物組間的互聯模式。

這項研究近日發表在微生物領域頂級期刊《微生物組》(Microbiome),浙江大學環境與資源學院馬斌研究員為該論文的第一作者,徐建明教授為通訊作者,浙江大學為第一和通訊作者單位。

1. 地球微生物組共存網絡 (a) 及不同環境中的亞網絡 (b)

用大數據“篩出”微生物之間的交互作用

食物網通過捕食和被捕食關系建立起來的生物相互作用網,類似地,在微生物群落中,不同微生物間存在著共生、寄生、捕食和競爭等相互作用形式。

厘清不同生態系統中微生物的復雜交互作用關系,具有兩大挑戰。一是超過95%的微生物無法人工培養,進而無法通過實驗法一一甄別;二是上萬種微生物之間存在幾億對相互關系,面對這樣的海量數據根本無法通過傳統的實驗開展研究。

與此同時采用統一采樣、測序、分析的全球最大標準化環境微生物組數據庫的建立,為中外科學家研究確定了豐富的數據資源。

浙大科研人員通過構建微生物生態網絡算法建立一個“篩子”,篩出微生物之間的交互作用??蒲腥藛T從大數據中找到微生物之間的規律,并通過這種規律構建起一套統計模型進而篩出相互規律。

由此,徐建明團隊通過綜合分析全球多種生存環境(土壤、植物、動物、水體等)中的微生物組數據,構建了全球微生物共存網絡?!巴ㄟ^這張網絡,我們對微生物的關系能夠更看清,為進一步理解運行機制提供了前提?!?/span>

沒有微生物 “社會”是一座孤島

隨著同一個生態系統內微生物關系的明確,浙大科研人員進一步研究跨界的互聯表征。他們發現相同關系越多,連線越粗,也意味著有共同的相互作用。這就反應出不同生態系統之間,微生物關系與交往。

這項研究告訴我們要從系統角度認識事物,加深了對地球微生物重要性和多樣性的認識?!毙旖鹘榻B,整體社會關系網絡的相似性,反應潛在的交流的強度。土壤和淡水的關系,比土壤和咸水的關系要大。這很大程度上在于水的循環作用和影響程度。

地球微生物組中不同生境中的微生物組都有緊密聯系,并可依據關聯特征可劃分為不同的子網絡。根據子網絡間的相似性,可進一步將子網絡分成兩組。值得注意的是,土壤微生物組與動物表面、動物腸道和淡水微生物組有密切關系,而植物、動物體表的微生物是連接兩組子網絡的橋梁。

馬斌說,所有的微生物是相互關聯的,不能割裂開來去理解。例如要知道腸道微生物組,其實也要研究環境對其的影響?!叭绻皇菑奈⑸锶郝浣M成的角度進行研究,有時候常常不能真正認識微生物組運行的內在機制?!?

2. 地球微生物組的互聯特征

合作者包括美國加州大學圣迭戈分校的Jack A. Gilbert教授和Rob Knight教授、美國太平洋西北國家實驗室研究員Janet K. Jansson、比利時魯汶大學Karoline Faust教授等。該研究得到了國家自然科學基金創新研究群體項目(41721001)、中央高?;究蒲袠I務費專項資金等項目的資助。

論文鏈接https://microbiomejournal.biomedcentral.com/articles/10.1186/s40168-020-00857-2

(文 柯溢能/圖片由課題組提供)


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