2024-10-15
在對微生物群落進行研究分析時，除了將整體群落特征進行分析，也可以將整體群落劃分成幾個特征群落進行分析，或與其他組學數據聯合分析。不同的微生物子群落對變化響應、在某些過程的發生發展中發揮的作用可能不同。任何特定的微生物群落中都應該存在一個“重要”的子群落，它們是生態系統的活躍部分，對宿主或環境的群落結構和功能起重要作用。 常見的方法是利用微生物出現頻率、豐度等信息對對微生物群落做一些劃分。從不同類型樣本間微生物分布差異的角度看，例如，可以將微生物分為共有、特有微生物。Kokou等人[1]的研究中，共有微生物（shared microbiomes）被定義為全部樣本或90%以上樣本中存在的微生物。特有微生物（unique microbiomes）被任意定義為僅在與某類樣本中或90% 以上存在且在其他類型的樣本中未發現的微生物。 從微生物豐度分布特征角度來看，可以將微生物分為優勢、稀有等類群。Delgado-Baquerizo等人[2]在全球表層土壤細菌群落的相關研究中，將樣本中前10%的，在55%以上樣本中初選的ASV/OTU認定為最常見和普遍存在的細菌類群。對于“rare”類群的劃定，多數研究使用相對豐度進行截取，如相對豐度低于0.1%、0.01%等。稀有類群對群落生態學，尤其是時間變異性（例如，條件稀有類群））和生態恢復力具有重大貢獻。Lynch等人[3]的綜述文章中提到低豐度類群是評估α多樣性和β多樣性的重要貢獻者。 在稀有類群中有一類條件稀有類群（conditionally rare taxa，也被稱為transient taxa），在某些條件下稀有的物種，但當環境條件變化時，例如提供最佳生長條件時可以變得豐富。該類群隨著時間的推移遵循雙峰分布。根據類群豐度水平隨時間的分布，可以計算雙峰系數 b 來進行識別條件稀有類群，如果一個分類群b > 0.9并且其豐度大于0.01%，則被認為是暫時的或者條件稀有類群。此外，許多研究會在關鍵物種（keystone species）的角度上分析微生物群落。關鍵物種對環境的影響非常大。許多研究使用共現網絡（co-occurrence networks）來識別關鍵物種，并將微生物劃分為不同的子群落。
案例分析 1.Nature：腸道微生物碳水化合物代謝導致胰島素抵抗[3] 簡介：胰島素抵抗是代謝綜合征和2型糖尿病的主要病理特征，腸道微生物群在胰島素抵抗中具有重要作用。本項研究將糞便代謝組學和宏基因組學數據相結合，以分析微生物組在胰島素抵抗中的作用。在數據分析中，作者巧妙地利用微生物數據在樣本間分布的特征，將微生物數據劃分成為4簇，尋找關鍵菌群。對于代謝組的數據，作者也是利用WGCNA方法，將代謝物劃分成組，參與聯合分析。文章結果表明，糞便碳水化合物，特別是宿主的單糖，在胰島素抵抗個體中增加，并且與微生物碳水化合物代謝和宿主炎癥細胞因子相關。 2.Environmental Science & Technology：生物相互作用通過改變稀有微生物群落介導土壤功能[5] 簡介：土壤微生物是陸地生物地球化學循環的主要驅動力，促進土壤有機質周轉。然而，土壤動物對微生物群落的影響仍然知之甚少。本項研究將土壤微生物擴增子測序與代謝組學相結合，并對細菌和真菌的豐富類群和稀有類群進行了劃分：在所有實驗處理中相對豐度超過0.1%的細菌ASV被視為豐富分類群，而相對豐度低于0.02%的細菌ASV被指定為稀有分類群。相對豐度高于0.1%的真菌ASV被歸類為豐富分類群，而相對豐度低于0.1%真菌的ASV在所有處理中被表征為稀有分類群。文章結果表明，稀有微生物群落是土壤功能基因富集的重要驅動因素。確定了關鍵的稀有微生物類群，包括SM1A02、伽馬變形菌和HSB_OF53F07；功能基因豐度的增加可能是由于土壤動物相互作用介導的特定微生物代謝活動等。 1.Kokou, F. et al. Core gut microbial communities are maintained by beneficial interactions and strain variability in fish. Nat Microbiol 4, 2456–2465 (2019). 2.Delgado-Baquerizo, M. et al. A global atlas of the dominant bacteria found in soil. Science 359, 320–325 (2018). 3.Lynch, M. D. J. & Neufeld, J. D. Ecology and exploration of the rare biosphere. Nat Rev Microbiol 13, 217–229 (2015). 4.Takeuchi, T. et al. Gut microbial carbohydrate metabolism contributes to insulin resistance. Nature 621, 389–395 (2023). 5.Wang, Y.-F. et al. Biological Interactions Mediate Soil Functions by Altering Rare Microbial Communities. Environ. Sci. Technol. 58, 5866–5877 (2024).
