在自然界的各種生態(tài)系統(tǒng)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。然而，菌群多樣性究竟是怎樣形成和演變的？它們?cè)谖磥碛挚赡馨l(fā)生什么樣的變化？近日，青島能源所單細(xì)胞中心提出了一種基于大數(shù)據(jù)搜索的理論模型，通過建立一個(gè)全球性的微生物組相互轉(zhuǎn)化網(wǎng)絡(luò)，來從多個(gè)尺度探索不同生態(tài)系統(tǒng)之間菌群的內(nèi)在關(guān)聯(lián)與演化規(guī)律。該研究于7月13日發(fā)表于mSystems（美國(guó)微生物學(xué)會(huì)會(huì)刊）?！?/p>
全球微生物組轉(zhuǎn)化網(wǎng)絡(luò)
人類和哺乳動(dòng)物的演化歷程，可通過各種地質(zhì)年代遺留下來的化石及其中蘊(yùn)含的古DNA來揭示。但是在漫長(zhǎng)的時(shí)光旅程中，各種生態(tài)系統(tǒng)中菌群演化與互作的痕跡往往已湮滅殆盡。因此，如何從全球尺度上重現(xiàn)與理解微生物組間的演化途徑和互作過程，一直懸而未決。
針對(duì)這個(gè)關(guān)鍵問題，青島能源所荊功超和青島大學(xué)張玉鳳等組成的研究小組提出一個(gè)理論模型：微生物組可通過改變其內(nèi)諸多物種的組合和數(shù)量比例等方式相互轉(zhuǎn)化，以適應(yīng)各種生存環(huán)境與選擇壓力。因此，微生物組的演化與互作等關(guān)系，能基于其結(jié)構(gòu)相似性進(jìn)行推測(cè)。
基于這個(gè)模型，研究人員運(yùn)用前期開發(fā)的微生物組搜索引擎（MSE; http://mse.ac.cn），基于微生物組結(jié)構(gòu)的相似性高低，構(gòu)建了首個(gè)全球性的“微生物組相互轉(zhuǎn)化網(wǎng)絡(luò)”(Microbiome Transition Network; MTN)。該全局性網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)分別是177,022 例菌群樣本，包含了113億條16SrRNA序列，來自于從人體各個(gè)部位到環(huán)境中各種生境的20大類生態(tài)系統(tǒng)。
有趣的是，與現(xiàn)實(shí)中的許多網(wǎng)絡(luò)如因特網(wǎng)、金融系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)、社會(huì)人際網(wǎng)絡(luò)等相似，MTN也是一種無標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)（scale-free network）。此類網(wǎng)絡(luò)的典型特征是，大部分節(jié)點(diǎn)只和很少節(jié)點(diǎn)連接，而有極少的節(jié)點(diǎn)卻與非常多的節(jié)點(diǎn)連接。這種“樞紐”節(jié)點(diǎn)的存在，使得此類網(wǎng)絡(luò)對(duì)意外故障有強(qiáng)大的承受能力，但面對(duì)協(xié)同性攻擊時(shí)則顯得脆弱。因此，MTN的無標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)特性，為目前地球上微生物組的多樣性的成因與意義提供了一個(gè)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(jié)構(gòu)與其各自迥異的生態(tài)系統(tǒng)有著顯著的關(guān)聯(lián)性，但每個(gè)菌群與任一其他菌群之間平均只需要“七”步（也就是，通過六個(gè)“親戚”），便可實(shí)現(xiàn)相互轉(zhuǎn)化。因此，微生物組在全球范圍上具有其內(nèi)在的同源性。這一發(fā)現(xiàn)，對(duì)于重構(gòu)歷史上曾經(jīng)存在過的微生物組，或設(shè)計(jì)全新的菌群，具有指導(dǎo)意義。
進(jìn)而，基于這一“全球微生物組社交網(wǎng)絡(luò)”，研究人員繪制出了全球尺度、單個(gè)菌群精度的“微生物組相互轉(zhuǎn)化路線圖”，從而刻畫了在不同生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部與之間，每個(gè)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沙子和魚類等非哺乳動(dòng)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(jìn)行菌群交換的“門戶”。因此，這一路線圖將成為研究微生態(tài)系統(tǒng)間互作機(jī)制的新工具。
隨著全球環(huán)境的變化和人類文明的進(jìn)程，每天無數(shù)的菌群結(jié)構(gòu)從地球上從此消失，同時(shí)也有無數(shù)的菌群結(jié)構(gòu)浮現(xiàn)出來。盡管目前只有極少的一部分新出現(xiàn)的菌群能通過元基因組測(cè)序等手段得以記錄下來，但構(gòu)建全局范圍、動(dòng)態(tài)更新的MTN仍然是個(gè)巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)。得益于其長(zhǎng)期的菌群數(shù)據(jù)積累和高效的計(jì)算比對(duì)能力，MSE能夠于數(shù)小時(shí)內(nèi)、在一臺(tái)個(gè)人計(jì)算機(jī)上，針對(duì)新出現(xiàn)的菌群數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行MTN的全局更新。因此，運(yùn)用MSE，研究人員將持續(xù)拓展與更新MTN，并開發(fā)多尺度全方位的可視化系統(tǒng)，從而為微生物組的起源、演化與互作研究提供基于大數(shù)據(jù)的理論模型和計(jì)算工具。
該工作由青島大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)和技術(shù)學(xué)院蘇曉泉教授和青島能源所單細(xì)胞中心徐健研究員合作主持完成。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院微生物組計(jì)劃等項(xiàng)目的支持。
原文鏈接：https://journals.asm.org/doi/10.1128/mSystems.00394-21
Gongchao Jing#, Yufeng Zhang#, Lu Liu, Zengbin Wang, Zheng Sun, Rob Knight, Xiaoquan Su*, and Jian Xu*. A Scale-Free, Fully Connected Global Transition Network Underlies Known Microbiome Diversity. mSystems 2021, 6:e00394-21.
