半月谈丨 大数据发掘微生物“社交网络”

来源:新华网    作者:戴益节     发布时间:2020-08-12
摘要:半月谈丨 大数据发掘微生物“社交网络”
  肉眼看不见的微生物是我们人类的“老前辈”。如果把地球年龄比喻为一年的话,微生物约在3月20日诞生,而人类约在12月31日出现在地球上。
  上至几万米高空,下至几千米深海,热达摄氏300℃的温泉,冷至零下80℃的寒极,都有微生物存在。数十亿年中,微生物形成错综复杂的“社会关系”网络。它们不仅仅是“分解者”,还影响到温室气体、绿色生产以及人体健康的方方面面。
  不久前,浙江大学徐建明教授团队在《微生物组》杂志上发表论文,通过分析地球微生物组计划(Earth Microbiome Project)大数据,进一步发掘全球微生物的“社会关系”。
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  微生物圈“奇遇记”
http://www.zj.xinhuanet.com/2020-08/12/1126359464_15972213904951n.jpeg  “在过去,科研人员常常在微观尺度挖掘微生物的具体特性,但有时如同盲人摸象,只能看到局部。”徐建明说,这就像是人类社会,除了知道一个个的人叫什么名字,还要知道人与人之间的关系,才能更好了解社会关系的全貌。
  大鱼吃小鱼、小鱼吃虾米、虾米吃浮游生物……这是物种间的食物网。在微生物群落中,也有类似的网络,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。
  浙大科研人员从地球微生物组计划的大数据着手,构建起一套统计模型,进而“筛出”微生物之间的相互作用规律。研究团队综合分析土壤、植物、动物、水体等全球多种生存环境中的微生物组数据,采用了来自14个环境中的2.3万多个样本,分八大模块构建了全球微生物共存网络。乍看之下,整个网络图就像分子结构模型,不同的是,网络内部各模块之间纵横交织,连接更为复杂。
  地球微生物组的互联特征/课题组供图
  通过这张网络,研究人员发现,土壤微生物组与动物体表、动物肠道和淡水微生物组有密切关系,植物、动物体表的微生物是连接两组微生物网络的“桥梁”。而由于人类活动范围大,人类的皮肤微生物组可能对地球微生物迁移具有非常重要的作用。
  “微生物社会关系网络的相似性,反映了微生物交流的强度。比如土壤微生物和淡水微生物的‘亲缘关系’和‘日常交往’,比土壤微生物和咸水微生物要紧密和频繁,这很大程度上在于水的循环作用和影响。”徐建明说。
  这些共生、寄生、捕食和竞争等相互作用是微生物进化过程中自然选择的关键。美国芝加哥大学进化生物学家范瓦伦认为,这就像《爱丽丝奇遇记》中红皇后所说的:“你必须尽力不停地跑,才能使你保持在原地。”另一方面,一些微生物在进化中呈现出截然不同的面貌,比如原绿球藻属细菌,它们数量庞大,却几乎是世界上最柔弱的生物。在漫长的演化过程中,这些细菌显示出一副“成功人士”的样子——它们慢慢地失去了分解过氧化氢等有毒物质的能力,完全依赖别的生物替自己做这些“粗活”。
  “这样的关系在自然界中非常普遍,但我们有时候搞不清楚这些关系最早是如何形成的。”论文第一作者、浙江大学环境与资源学院马斌研究员说,所有的微生物是相互关联的,无法割裂。通过微生物社会关系网络,我们对微生物的关系看得更清,也为进一步理解微生物之间的运行机制提供了前提。
  进一步认识微生物、了解微生物,让微生物为我所用,这是浙大团队着手绘制微生物社会关系图谱的初衷。
  “微生物群落是典型的复杂系统,很难对其进行准确的控制。要实现微生物群落功能的定向调控,就要找出关键控制因子。”马斌说,通过分析微生物社会网络,可以找出关键控制节点,通过大数据建立关系模型,有望找到对微生物定向调控的方法。
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  厘清微生物复杂关系仍面临挑战
http://www.zj.xinhuanet.com/2020-08/12/1126359464_15972214004211n.jpeg  中国人用微生物制酒、酱油、醋等已有很长的历史,但将微生物作为一门科学进行研究,起步较晚。近年来,随着科研实力的提升、科技手段的进步,我们对微生物的认识和研究也有了长足进步。但相对于千姿百态的微生物世界,我们的了解还很有限。
  徐建明认为,厘清不同生态系统中微生物的复杂交互关系,还面临两大挑战:一是超过95%的微生物无法人工培养,无法一一甄别;二是上万种微生物之间存在几亿对相互关系,这样的海量数据,根本无法通过传统的实验开展研究。“由于环境中绝大部分微生物类群都是未培养类群,因此我们的研究是从复杂系统的角度整体分析共存网络,而不是对具体微生物类群进行分析。”徐建明说。
  2010年,美国阿贡实验室的杰克·吉尔伯特教授启动了地球微生物组计划,其最终目标是鉴定世界各地的20万个微生物样本,以生成一份详细的目录。地球微生物组计划的第一阶段成果已于2017年在《自然》杂志发表。研究人员按照由采样到数据分析各流程的统一标准,建立包含2.7751万个高质量细菌和古菌群落的数据库,并利用这些样本,鉴定出大约30万条独特的微生物基因序列,其中绝大多数无法在原有数据库中找到。
  中科院武汉病毒研究所微生物菌毒种保藏中心的工作人员在检查病毒样本 熊琦/摄
  研究人员表示,虽然基因测序领域取得了一系列新进展,但由于缺乏标准化的分析方法,常用分析框架也存在缺陷,微生物组的研究仍然受到一定限制。
  目前地球微生物组计划的第二阶段研究也已开始,研究人员将基于生物环境中全部微生物遗传物质的总和,建立统一标准流程,构建地球宏基因组参考数据。“这项工作体现了全球生物界的通力合作,为深入研究未知环境的微生物组构成提供了数据基础和参考依据。”徐建明说。
 

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郝宇奇
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