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浙大绘制首个地球微生物“社会关系”网络

百家作者：人工智能学家 2020-06-17 20:14:52

来源：浙江大学

图片由课题组提供

单个微生物看不见、摸不着，但却无时不在、无处不在。但微生物的功能绝非“分解者”这么简单，影响到温室气体的、绿色生产的、人体健康的方方面面，其群落组成和功能具有极高的复杂性。

如何更好认识微生物的特性，过去科研人员常常在微观尺度挖掘其具体特性，但有时如同盲人摸象，只能看到局部。就像人类社会，光是知道一个人叫什么名字，是无法了解人类社会的全貌，要知道人与人之间的关系才能更好描述。

近日，浙江大学徐建明教授团队通过分析地球微生物组计划(Earth Microbiome Project)大数据，构建了全球微生物共存网络，通过对其“社会关系”的分析，首次揭示了地球多种环境中微生物组间的互联模式。

这项研究近日发表在微生物领域顶级期刊《微生物组》（Microbiome），浙江大学环境与资源学院马斌研究员为该论文的第一作者，徐建明教授为通讯作者，浙江大学为第一和通讯作者单位。

图1. 地球微生物组共存网络 (a) 及不同环境中的亚网络 (b)

用大数据“筛出”微生物之间的交互作用

食物网通过捕食和被捕食关系建立起来的生物相互作用网，类似地，在微生物群落中，不同微生物间存在着共生、寄生、捕食和竞争等相互作用形式。

厘清不同生态系统中微生物的复杂交互作用关系，具有两大挑战。一是超过95%的微生物无法人工培养，进而无法通过实验法一一甄别；二是上万种微生物之间存在几亿对相互关系，面对这样的海量数据根本无法通过传统的实验开展研究。

与此同时采用统一采样、测序、分析的全球最大标准化环境微生物组数据库的建立，为中外科学家研究确定了丰富的数据资源。

浙大科研人员通过构建微生物生态网络算法建立一个“筛子”，筛出微生物之间的交互作用。科研人员从大数据中找到微生物之间的规律，并通过这种规律构建起一套统计模型进而筛出相互规律。

由此，徐建明团队通过综合分析全球多种生存环境（土壤、植物、动物、水体等）中的微生物组数据，构建了全球微生物共存网络。“通过这张网络，我们对微生物的关系能够更看清，为进一步理解运行机制提供了前提。”

没有微生物 “社会”是一座孤岛

随着同一个生态系统内微生物关系的明确，浙大科研人员进一步研究跨界的互联表征。他们发现相同关系越多，连线越粗，也意味着有共同的相互作用。这就反应出不同生态系统之间，微生物关系与交往。

“这项研究告诉我们要从系统角度认识事物，加深了对地球微生物重要性和多样性的认识。”徐建明介绍，整体社会关系网络的相似性，反应潜在的交流的强度。土壤和淡水的关系，比土壤和咸水的关系要大。这很大程度上在于水的循环作用和影响程度。

地球微生物组中不同生境中的微生物组都有紧密联系，并可依据关联特征可划分为不同的子网络。根据子网络间的相似性，可进一步将子网络分成两组。值得注意的是，土壤微生物组与动物表面、动物肠道和淡水微生物组有密切关系，而植物、动物体表的微生物是连接两组子网络的桥梁。

马斌说，所有的微生物是相互关联的，不能割裂开来去理解。例如要知道肠道微生物组，其实也要研究环境对其的影响。“如果只是从微生物群落组成的角度进行研究，有时候常常不能真正认识微生物组运行的内在机制。”

图2. 地球微生物组的互联特征

合作者包括美国加州大学圣迭戈分校的Jack A. Gilbert教授和Rob Knight教授、美国太平洋西北国家实验室研究员Janet K. Jansson、比利时鲁汶大学Karoline Faust教授等。该研究得到了国家自然科学基金创新研究群体项目（41721001）、中央高校基本科研业务费专项资金等项目的资助。

论文链接：

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

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