基于大数据搜索引擎绘制全球微生物群落转化网络

在自然界的各种生态系统中，微生物广泛存在，并以群落的形式相互作用，深刻塑造了地球生物圈的功能。8月8日，记者从中国科学院青岛能源研究所了解到，该所单细胞中心提出了基于大数据搜索的理论模型，通过建立微生物群落全球转化网络，从多个尺度探索不同生态系统间植物区系的内在关联和演化规律。相关成果最近在《美国微生物学会会刊》上发表。

人类和哺乳动物的进化可以通过各种地质时代遗留下来的化石和其中包含的古代DNA来揭示。然而，在漫长的时间旅途中，各种生态系统中植物区系演化和相互作用的痕迹往往已经消失。

为了在全球范围内再现和理解微生物群之间的进化路径和相互作用过程，由中国科学院青岛能源研究所的景和青岛大学的组成的研究小组提出了一个理论模型：微生物群可以通过改变其中许多物种的组合和数量比例来相互转化，从而适应各种生活环境和选择压力。因此，微生物群的进化和相互作用之间的关系可以根据其结构相似性来推断。

基于这一模型，研究人员利用此前开发的微生物组搜索引擎(MSE)，并基于微生物组结构的相似性，构建了全球首个“微生物组转化网络(MTN)”。全球网络的节点包含177022个植物区系样本和113亿个16SrRNA序列，它们来自20种生态系统，从人体各个部位到各种生境。

有趣的是，MTN也是一个无标度网络，类似于现实中的社交网络。这种网络的典型特征是大多数节点只与少数节点相连，而少数节点与许多节点相连。这种“枢纽”节点的存在使得这类网络具有很强的抵御意外故障的能力，但却容易受到协同攻击。因此，MTN的无标度网络特性为地球微生物群落多样性的成因和意义提供了全新的理论视角和原理解释。

令人惊讶的是，在MTN，虽然微生物区系的结构与其不同的生态系统显著相关，但每个菌群与任何其他菌群的平均距离只有“七”步，即通过六个“亲戚”，可以实现相互转化。因此，微生物组在全球范围内有其固有的同源性。这一发现对重建历史上曾经存在的微生物群或设计全新的菌群具有指导意义。

基于MTN，研究人员还绘制了具有全球规模和单一菌群精度的“微生物群转化路线图”，从而描绘了不同生态系统内部和之间每个微生物群最有可能的进化路径和相互作用过程。例如，路线图显示，海洋最有可能与海岸附近的鱼类等非哺乳动物进行植物区系交换，而沙子和淡水则是植物与人体和自然进行植物区系交换的“门户”。因此，这张路线图将成为研究微生态系统之间相互作用机制的新工具。

随着全球环境的变化和人类文明的进步，每天都有无数的植物群从地球上消失，同时也有无数的植物群涌现出来。得益于长期积累的植物区系数据和高效的计算比较能力，MSE可以在个人电脑上用几个小时更新MTN全球新的植物区系数据点。因此，利用MSE，研究人员将继续扩展和更新MTN，并开发多尺度和全方位的可视化系统，从而为研究微生物组的起源、进化和相互作用提供基于大数据的理论模型和计算工具。