在自然界的各种生态系统中，微生物以群落（即“微生物群落”）的形式广泛存在和相互作用，它们深刻地塑造了地球生物圈的功能。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？近日，中国科学院青岛生物能源与过程研究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。相关研究成果名为A Scale-Free, Full Connected Global Transition Network Underlies known Microbiome Diversity，发表于 mSystems（“美国微生物学会会刊”）。

人类和哺乳动物的进化可以通过不同地质时代遗留下来的化石和其中包含的古老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。

针对上述关键问题，青岛能源所景公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：微生物组可以改变组合和数比等方法相互转化，以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。

基于上述模型，研究人员使用了较早开发的微生物组搜索引擎（MSE；Transition Network；MTN）。这个全球网络的节点是177,022个细菌样本，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。

类似于现实中的一些网络（如互联网、金融系统网络、社交网络等），MTN也是一种无标度网络。这类网络的典型特征是大多数节点只与少数节点相连，而只有少数节点与非常多的节点相连。这种“枢纽”节点的存在，使得这类网络对突发故障具有很强的容忍度，在协同攻击面前显得脆弱不堪。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。

在MTN中，虽然微生物组的结构与其不同有显着关系，但需要“七”步（即通过六个“亲戚”）来实现相互转化。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，基于这个“全球微生物组社交网络”，研究人员在全球范围内，以个体菌群的准确性为基础，制定了“微生物组相互转化路线图”。它描绘了不同生态系统内和不同生态系统之间每个微生物组最可能的进化途径和相互作用过程。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也随之出现。尽管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仍然具有挑战性。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，研究人员将继续扩展和更新MTN，开发多尺度、全方位的可视化系统，为起源、演化和相互作用的研究提供基于大数据的理论模型和计算工具。的微生物组。

这项研究得到了国家自然科学基金和中国科学院微生物学计划的支持。

全球微生物组转化网络 < /p>

[来源：中国科学院科技产业网]

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