半岛全媒体记者徐杰

在自然界的各种生态系统中，微生物以群落形式广泛存在和相互作用，从而深刻地塑造着地球生物圈的功能。然而，植物群的多样性是如何形成和进化的？他们未来可能会发生哪些变化？ 17日，记者了解到，青岛能源所单细胞中心提出了基于大数据搜索的理论模型，可以通过建立全球微生物组转化网络，从多个尺度探索不同生态系统的菌群。的内在关系和进化规律。该研究于 7 月 13 日发表在 mSystems（美国微生物学会会刊）上。

据报道，人类和哺乳动物的进化可以通过时代遗留下来的化石和其中所含的远古DNA来揭示。然而，在漫长的时间旅程中，各种生态系统中植物群的进化和相互作用的痕迹往往被湮灭。因此，如何在全球范围内重现和理解微生物组之间的进化途径和相互作用过程一直没有解决。

针对这一关键问题，青岛能源所景功超和青岛大学张玉峰组成的研究团队提出了一个理论模型：微生物组可以通过改变组合和其中许多物种的数量比例。适应各种生活环境和选择压力。因此，可以根据微生物组的结构相似性来推断微生物组的进化和相互作用之间的关系。

基于这个模型，研究人员使用了较早开发的微生物组搜索引擎（MSE；Transition Network；MTN）。全球网络的节点是177,022个菌群样本，包含113亿个16SrRNA序列，来自20个主要类型的生态系统，从人体各个部位到环境中的各种栖息地。

研究人员介绍，有趣的是MTN也是一个无标度网络，类似于现实中的很多网络，比如互联网、金融系统网络、社交人际网络。这类网络的典型特征是大多数节点只连接少数节点，而少数节点连接非常多的节点。这种“枢纽”节点的存在，使得这类网络对意外故障有很强的容忍度，但容易受到协同攻击。因此，MTN的无标度网络特征为目前地球微生物群落多样性的成因和意义提供了新的理论视角和原理解释。

令人惊讶的是，在MTN中，虽然微生物组的结构与其各自的生态系统有着显着的相关性，但平均而言，只需要“七”步（即通过六个“亲戚”）就可以实现相互转化。因此，微生物组在全球范围内具有其固有的同源性。这一发现对于重建历史上曾经存在的微生物组或设计全新的菌群具有指导意义。

此外，研究人员基于这个“全球微生物组社交网络”，在全球范围内，以单一菌群的准确性绘制了“微生物组相互转化路线图”，从而描绘了内部之间以及每个微生物组最可能的进化路径和相互作用过程。例如，路线图显示，海洋最有可能与靠近海岸的沙子和鱼类等非哺乳动物交换植物群成分，而沙子和淡水是植物与人类之间进行植物群交换的“门户”和性质。因此，该路线图将成为研究微生态系统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，每天都有无数的微生物群落结构从地球上消失，无数的微生物群落结构出现。虽然通过宏基因组测序等手段只能记录到极少一部分新出现的菌群，但构建一个全局的、动态更新的MTN仍然是一个巨大的技术挑战。得益于其长期的植物群数据积累和高效的计算对比能力，MSE可以在数小时内在个人电脑上对新兴植物群数据点进行MTN的全局更新。因此，利用MSE，研究人员将不断扩展和更新MTN，开发多尺度、全方位的可视化系统，为研究起源、演化和演化提供基于大数据的理论模型和计算工具。微生物组的相互作用。

这项工作由青岛大学计算机科学与技术学院苏晓全教授和青岛能源所单细胞中心徐健研究员共同主持。该研究得到了国家自然科学基金和中国科学院微生物组项目的支持。

文章来源：《大数据》 网址: http://www.dsjzz.cn/zonghexinwen/2021/0717/2655.html