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浙江大学|浙大绘制首个地球微生物“社会关系”网络


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 。
浙江大学|浙大绘制首个地球微生物“社会关系”网络
本文插图

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 。 ”
浙江大学|浙大绘制首个地球微生物“社会关系”网络
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【浙江大学|浙大绘制首个地球微生物“社会关系”网络】图2.地球微生物组的互联特征


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