2019年北京大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系朱懷球研究團隊在Genomics Proteomics Bioinformatics上發(fā)表《How Microbes Shape Their Communities? A Microbial Community Model Based on Functional Genes》，我公司對該文章進行深入解讀。

文章提出了一個基于功能基因的的微生物群落預(yù)測模型（FCP），該模型利用功能基因并考慮環(huán)境因素對群落結(jié)構(gòu)的影響進行構(gòu)建，并提出“群落結(jié)構(gòu)塑造（CSS）基因”是形成特定微生物群落結(jié)構(gòu)的核心功能基因，且證明與所有COGs功能基因或DEG核心基因相比，CSS 基因更能表征群落結(jié)構(gòu)組成。本研究證明不管是針對簡單的微生物群落（例如acid mine drainage, AMD）還是復(fù)雜的人體腸道微生物群落，FCP預(yù)測模型性能均優(yōu)于廣泛的應(yīng)用的MAP模型。另外，文章指出，在塑造群落結(jié)構(gòu)方面，發(fā)揮更重要作用的是少數(shù)決定性物種，如古細菌，而非豐度高的物種。

文章主要成果有：

（1）分析AMD微生物群落組成

對17個AMD樣品進行層次聚類分析和COG比對分析。

圖1 AMD樣本的層次聚類分析

圖2 AMD樣本中COG分布比較

（2）研究AMD樣品中微生物與環(huán)境因子的關(guān)系

作者用重整置換校正（CCREPE）算法(http://huttenhower.sph.harvard.edu/ccrepe）研究了AMD樣品中微生物相對豐度之間的關(guān)系。

圖3 AMD樣本中微生物相對豐度與環(huán)境因子的關(guān)系

（3）預(yù)測AMD和人腸道菌群中微生物群落組成

作者用FCP模擬了群落組成對環(huán)境因子的響應(yīng)。

圖4 FCP和MAP方法預(yù)測精度的比較

（4）鑒定AMD及腸道菌群樣本中塑造群落結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵CSS基因

圖5 AMD樣本的CSS基因分析

圖6早期和晚期演替過程中AMD樣品CSS基因的比較

文章提出了一種新的基于功能基因的的微生物群落預(yù)測模型，與傳統(tǒng)方法相比，該模型更接近群落動態(tài)變化且同時考慮了環(huán)境因素對群落結(jié)構(gòu)的影響，更能表征群落的真實情況。同時，文章也提出了新概念CSS（Community Structure Shaping）基因，并證明塑造微生物群落結(jié)構(gòu)的基因并非是必需基因，而且群落結(jié)構(gòu)的塑造是功能驅(qū)動型的，而非物種。

由于環(huán)境微生物群落結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，影響其組成的因素較多，在建立模型時極易忽略未察覺的關(guān)鍵因子，嚴(yán)重影響預(yù)測的準(zhǔn)確性。因此需要監(jiān)測大量的數(shù)據(jù)不斷優(yōu)化模型，使其魯棒性更好。另外，文章中物種豐度是由宏基因測序結(jié)果得到的相對豐度，是否能反映群落的真實組成，有待考證。