單個微生物看不見、摸不著，但卻無時不在、無處不在。但微生物的功能絕非“分解者”這么簡單，影響到溫室氣體的、綠色生產(chǎn)的、人體健康的方方面面，其群落組成和功能具有極高的復(fù)雜性。

如何更好認(rèn)識微生物的特性，過去科研人員常常在微觀尺度挖掘其具體特性，但有時如同盲人摸象，只能看到局部。就像人類社會，光是知道一個人叫什么名字，是無法了解人類社會的全貌，要知道人與人之間的關(guān)系才能更好描述。

近日，浙江大學(xué)徐建明教授團隊通過分析地球微生物組計劃(Earth Microbiome Project)大數(shù)據(jù)，構(gòu)建了全球微生物共存網(wǎng)絡(luò)，通過對其“社會關(guān)系”的分析，首次揭示了地球多種環(huán)境中微生物組間的互聯(lián)模式。

這項研究近日發(fā)表在微生物領(lǐng)域頂級期刊《微生物組》（Microbiome），浙江大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院馬斌研究員為該論文的第一作者，徐建明教授為通訊作者，浙江大學(xué)為第一和通訊作者單位。

圖1. 地球微生物組共存網(wǎng)絡(luò) (a) 及不同環(huán)境中的亞網(wǎng)絡(luò) (b)

用大數(shù)據(jù)“篩出”微生物之間的交互作用

食物網(wǎng)通過捕食和被捕食關(guān)系建立起來的生物相互作用網(wǎng)，類似地，在微生物群落中，不同微生物間存在著共生、寄生、捕食和競爭等相互作用形式。

厘清不同生態(tài)系統(tǒng)中微生物的復(fù)雜交互作用關(guān)系，具有兩大挑戰(zhàn)。一是超過95%的微生物無法人工培養(yǎng)，進而無法通過實驗法一一甄別；二是上萬種微生物之間存在幾億對相互關(guān)系，面對這樣的海量數(shù)據(jù)根本無法通過傳統(tǒng)的實驗開展研究。

與此同時采用統(tǒng)一采樣、測序、分析的全球最大標(biāo)準(zhǔn)化環(huán)境微生物組數(shù)據(jù)庫的建立，為中外科學(xué)家研究確定了豐富的數(shù)據(jù)資源。

浙大科研人員通過構(gòu)建微生物生態(tài)網(wǎng)絡(luò)算法建立一個“篩子”，篩出微生物之間的交互作用?？蒲腥藛T從大數(shù)據(jù)中找到微生物之間的規(guī)律，并通過這種規(guī)律構(gòu)建起一套統(tǒng)計模型進而篩出相互規(guī)律。

由此，徐建明團隊通過綜合分析全球多種生存環(huán)境（土壤、植物、動物、水體等）中的微生物組數(shù)據(jù)，構(gòu)建了全球微生物共存網(wǎng)絡(luò)?！巴ㄟ^這張網(wǎng)絡(luò)，我們對微生物的關(guān)系能夠更看清，為進一步理解運行機制提供了前提。”

沒有微生物 “社會”是一座孤島

隨著同一個生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)微生物關(guān)系的明確，浙大科研人員進一步研究跨界的互聯(lián)表征。他們發(fā)現(xiàn)相同關(guān)系越多，連線越粗，也意味著有共同的相互作用。這就反應(yīng)出不同生態(tài)系統(tǒng)之間，微生物關(guān)系與交往。

“這項研究告訴我們要從系統(tǒng)角度認(rèn)識事物，加深了對地球微生物重要性和多樣性的認(rèn)識?！毙旖鹘榻B，整體社會關(guān)系網(wǎng)絡(luò)的相似性，反應(yīng)潛在的交流的強度。土壤和淡水的關(guān)系，比土壤和咸水的關(guān)系要大。這很大程度上在于水的循環(huán)作用和影響程度。

地球微生物組中不同生境中的微生物組都有緊密聯(lián)系，并可依據(jù)關(guān)聯(lián)特征可劃分為不同的子網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)子網(wǎng)絡(luò)間的相似性，可進一步將子網(wǎng)絡(luò)分成兩組。值得注意的是，土壤微生物組與動物表面、動物腸道和淡水微生物組有密切關(guān)系，而植物、動物體表的微生物是連接兩組子網(wǎng)絡(luò)的橋梁。

馬斌說，所有的微生物是相互關(guān)聯(lián)的，不能割裂開來去理解。例如要知道腸道微生物組，其實也要研究環(huán)境對其的影響。“如果只是從微生物群落組成的角度進行研究，有時候常常不能真正認(rèn)識微生物組運行的內(nèi)在機制。”

圖2. 地球微生物組的互聯(lián)特征

合作者包括美國加州大學(xué)圣迭戈分校的Jack A. Gilbert教授和Rob Knight教授、美國太平洋西北國家實驗室研究員Janet K. Jansson、比利時魯汶大學(xué)Karoline Faust教授等。該研究得到了國家自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體項目（41721001）、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金等項目的資助。

論文鏈接：https://microbiomejournal.biomedcentral.com/articles/10.1186/s40168-020-00857-2

（文 柯溢能/圖片由課題組提供）