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」這麼簡單，影響到溫室氣體的、綠色生產的、人體健康的方方面面，其群落組成和功能具有極高的複雜性。
如何更好認識微生物的特性，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麼名字，是無法了解人類社會的全貌，要知道人與人之間的關係才能更好描述。
近日，浙江大學徐建明教授團隊通過分析地球微生物組計劃(Earth Microbiome Project)大數據，構建了全球微生物共存網絡，通過對其「社會關係」的分析，首次揭示了地球多種環境中微生物組間的互聯模式。
這項研究近日發表在微生物領域頂級期刊《微生物組》（Microbiome），浙江大學環境與資源學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，浙江大學為第一和通訊作者單位。
圖1. 地球微生物組共存網絡 (a) 及不同環境中的亞網絡 (b)
用大數據「篩出」微生物之間的交互作用
食物網通過捕食和被捕食關係建立起來的生物相互作用網，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。
釐清不同生態系統中微生物的複雜交互作用關係，具有兩大挑戰。一是超過95%的微生物無法人工培養，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係，面對這樣的海量數據根本無法通過傳統的實驗開展研究。
與此同時採用統一採樣、測序、分析的全球最大標準化環境微生物組資料庫的建立，為中外科學家研究確定了豐富的數據資源。
浙大科研人員通過構建微生物生態網絡算法建立一個「篩子」，篩出微生物之間的交互作用。科研人員從大數據中找到微生物之間的規律，並通過這種規律構建起一套統計模型進而篩出相互規律。
由此，徐建明團隊通過綜合分析全球多種生存環境（土壤、植物、動物、水體等）中的微生物組數據，構建了全球微生物共存網絡。「通過這張網絡，我們對微生物的關係能夠更看清，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
隨著同一個生態系統內微生物關係的明確，浙大科研人員進一步研究跨界的互聯表徵。他們發現相同關係越多，連線越粗，也意味著有共同的相互作用。這就反應出不同生態系統之間，微生物關係與交往。
「這項研究告訴我們要從系統角度認識事物，加深了對地球微生物重要性和多樣性的認識。」徐建明介紹，整體社會關係網絡的相似性，反應潛在的交流的強度。土壤和淡水的關係，比土壤和鹹水的關係要大。這很大程度上在於水的循環作用和影響程度。
地球微生物組中不同生境中的微生物組都有緊密聯繫，並可依據關聯特徵可劃分為不同的子網絡。根據子網絡間的相似性，可進一步將子網絡分成兩組。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係，而植物、動物體表的微生物是連接兩組子網絡的橋梁。
馬斌說，所有的微生物是相互關聯的，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識微生物組運行的內在機制。」
圖2. 地球微生物組的互聯特徵
論文連結：
（文 柯溢能/圖片由課題組提供）
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