地球上大約有一千億到一萬億種微生物。這一包含細菌、病毒、真菌以及小型原生動物等在內(nèi)的生物群體，在亞馬遜叢林、火山噴發(fā)口，或是大西洋海底甚至人類腸道均有分布，要全面鑒定這些微生物極具挑戰(zhàn)性。

　　不久前，浙江大學(xué)徐建明教授團隊在《微生物組》雜志上發(fā)表論文稱，他們利用地球微生物組計劃開源大數(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。通過分解有機質(zhì)使土壤更加肥沃，抑制并排斥過路菌群的入侵和群集，調(diào)節(jié)人體與微生物之間的平衡……徐建明表示，微生物的功能不止于此，它還影響著溫室氣體排放、綠色生產(chǎn)等。而地球微生物組計劃就是為摸清不同環(huán)境下高度復(fù)雜的微生物群落組成和功能的相互關(guān)聯(lián)。

　　測序技術(shù)助力探索微生物“暗物質(zhì)”

　　2010年，美國阿貢實驗室的杰克·吉爾伯特(Jack Gilbert)教授啟動了地球微生物組計劃，即收集全球微生物組的開源大數(shù)據(jù)項目，其最終目標(biāo)是鑒定世界各地的20萬個微生物樣本，以生成一份詳細的目錄。

　　地球微生物組計劃的第一階段是基于擴增子測序分析微生物群落組成，相關(guān)成果已于2017年在《自然》雜志發(fā)表。國外研究人員按照由采樣到數(shù)據(jù)分析的各個流程的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，建立了包含27751個高質(zhì)量細菌和古菌群落的數(shù)據(jù)庫，并利用這些樣本，鑒定出大約30萬條獨特的微生物16S rRNA序列，其中絕大多數(shù)無法在原有數(shù)據(jù)庫中找到。

　　“這項工作體現(xiàn)了全球生物界的通力合作，為深入研究未知環(huán)境的微生物組構(gòu)成提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和參考依據(jù)。”徐建明介紹說。

　　近年來，基因測序領(lǐng)域取得了一系列新進展。但由于缺乏標(biāo)準(zhǔn)化的分析方法，常用分析框架又存在諸多缺陷，使微生物組的研究受到了一定限制，進而制約了人們對環(huán)境微生物基本結(jié)構(gòu)的認知與發(fā)展。

　　徐建明告訴科技日報記者，地球微生物組計劃是要建立一個不斷更新的開源數(shù)據(jù)庫，因此其第一階段工作并未結(jié)束。與此同時，隨著當(dāng)前宏基因組技術(shù)的飛速發(fā)展，地球微生物組計劃第二階段也已開始，即建立環(huán)境宏基因組分析的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)流程，構(gòu)建地球宏基因組參考數(shù)據(jù)。

　　據(jù)介紹，宏基因組即生物環(huán)境中全部微生物遺傳物質(zhì)的總和，包含可培養(yǎng)的和不可培養(yǎng)的微生物的基因，目前主要指環(huán)境樣品中的細菌和真菌的基因組總和。為更好認識微生物的特性，以往科研人員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。

　　“微生物之間的復(fù)雜關(guān)系對微生物群落功能有重要影響，然而環(huán)境中絕大部分微生物類群都未被成功培養(yǎng)，我們對這些未培養(yǎng)的微生物‘暗物質(zhì)’的具體功能特征尚不清楚。”徐建明表示，高通量測序技術(shù)為團隊探索微生物“暗物質(zhì)”提供了有效方法，而微生物生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析則為了解微生物之間的“社會關(guān)系”網(wǎng)絡(luò)提供了可行手段。

　　篩選出微生物間“社會關(guān)系”

　　大魚吃小魚、小魚吃蝦米、蝦米吃浮游……物種間的食物網(wǎng)根據(jù)捕食和被捕食關(guān)系呈現(xiàn)了生物之間的相互作用。類似地，在微生物群落中，不同微生物間也存在著共生、寄生、捕食和競爭等相互作用形式。

　　徐建明說，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。

　　“地球微生物組計劃建立統(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，為中外科學(xué)家研究提供了豐富的數(shù)據(jù)資源�！毙旖�明表示，團隊科研人員通過構(gòu)建微生物生態(tài)網(wǎng)絡(luò)算法建立了一個“篩子”，篩選出微生物之間的交互作用后，又用大數(shù)據(jù)找到微生物之間的作用規(guī)律，并通過這種規(guī)律構(gòu)建起一套統(tǒng)計模型繼續(xù)篩選。

　　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)，分八大模塊構(gòu)建了全球微生物共存網(wǎng)絡(luò)。乍看之下，整個共存網(wǎng)絡(luò)圖就像分子結(jié)構(gòu)模型，不同的是，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部各模塊之間縱橫交織、連接更為復(fù)雜。

　　“由于環(huán)境中絕大部分微生物類群都是未培養(yǎng)類群，因此我們的研究是從復(fù)雜系統(tǒng)的角度整體分析共存網(wǎng)絡(luò)本身的拓撲特征，而不是對具體微生物類群進行分析。”徐建明說，通過網(wǎng)絡(luò)，我們對微生物的關(guān)系能夠看得更清，為進一步理解它們的運行機制提供了前提。

　　此外，隨著同一個生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)微生物關(guān)系的明確，科研人員可進一步研究跨界的互聯(lián)表征。他們發(fā)現(xiàn)兩種環(huán)境中相同的微生物關(guān)系越多，二者在關(guān)系網(wǎng)絡(luò)中的連接線越粗。這反映出不同生態(tài)系統(tǒng)之間，微生物的關(guān)系與交往情況。

　　找出調(diào)控微生物群落功能的關(guān)鍵因子

　　“這項研究促使我們從系統(tǒng)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�！毙旖�明介紹道，整體社會關(guān)系網(wǎng)絡(luò)的相似性，反映潛在交流的強度。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。

　　“通過本次研究，我們還發(fā)現(xiàn)，人類作為活動范圍最大的動物，人類皮膚微生物組可能對地球微生物遷移具有非常重要的作用�！毙旖�明說，地球微生物組中不同環(huán)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。

　　論文第一作者、浙江大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院馬斌研究員說，所有的微生物是相互關(guān)聯(lián)的，不能割裂開來理解。例如腸道微生物組，不能因為它們在人體內(nèi)活動，就忽略了體外環(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識微生物組運行的內(nèi)在機制�！�

　　微生物群落是典型的復(fù)雜系統(tǒng)，具有非線性特征，因此很難對其進行準(zhǔn)確控制�？蒲腥藛T要實現(xiàn)微生物群落功能的定向調(diào)控，需要通過找出關(guān)鍵控制因子，使微生物群落發(fā)揮出符合預(yù)期的功能。

　　“下一步，我們將利用地球微生物組計劃第二階段的地球宏基因組數(shù)據(jù)集，開展地球微生物群落功能基因網(wǎng)絡(luò)分析，進一步解析地球微生物組的功能特征及其潛在調(diào)控機制，為實現(xiàn)微生物群落功能的定向調(diào)控提供參考依據(jù)�！毙旖�明表示，運用網(wǎng)絡(luò)分析找出關(guān)鍵控制節(jié)點后，通過大數(shù)據(jù)建立關(guān)鍵控制節(jié)點和預(yù)期功能目標(biāo)之間的關(guān)系模型，從而調(diào)節(jié)關(guān)鍵控制節(jié)點參數(shù)值，實現(xiàn)對預(yù)期功能目標(biāo)的定向調(diào)控。