基于静态和动态数据推断微生物生态网络的理论方法与算法研究进展

微生物群落广泛分布于自然界,在全球能量流动、物质循环以及维持宿主健康方面发挥重要作用。基于高通量测序数据推断微生物群落的分类群间的相互作用是理解和预测微生物群落时间动态行为的关键,所以如何根据不同类型的微生物数据发展对应的生态网络推断方法是研究重点。基于相关文献,该文首先从静态网络和动态网络角度出发,回顾了目前针对微生物各种数据类型发展的生态网络推断方法,理论框架包括对数据的整合处理方法、方法理论介绍以及实现的算法步骤。其次总结了这些推断方法中存在的局限性、不同方法间的关联性、差异互补性以及目前网络推断中遇到的挑战。最后对微生物生态网络推断中未来可能的研究方向进行了展望,为相关研究提供了理论依据。     

代谢互养关系在维持微生物物种多样性中的作用

互养关系（cross-feeding）是微生物物种之间普遍存在的一种相互关系，其中物种利用环境中其他成员的代谢产物以促进自身生长的情形称为代谢互养关系，这种关系对物种间的竞争结果往往有很大影响，甚至会改变种群结构。为了研究代谢互养关系在维持微生物物种多样性中的作用，构建包含不同代谢互养关系的资源竞争模型，这些模型既体现了微生物物种竞争资源时种群密度及资源量的动态，也展示了物种利用其他竞争者的代谢资源对自身生存状况的影响。数值模拟结果显示：（1）考虑微生物中不同的代谢互养关系结构：两物种间单向互养、双向互养以及多物种间的互养，不同的互养关系都可以促进竞争物种稳定共存，竞争中处于劣势的物种通过利用其他竞争成员的代谢产物，打破外界资源量对其生长的限制，改变原本消亡的命运；而处于优势的物种则通过利用其他竞争成员的代谢产物，增大种群密度。（2）多物种竞争同一种有限资源时，不是所有物种都能共存，在四物种模拟中，原本处于最劣势的物种灭绝，其余三者共存。物种产生代谢资源对其本身是"不利"的，如果在模拟中物种利用代谢资源的能力相同，那么物种竞争外界资源的劣势就很可能无法被抵消。通过改变资源利用率发现只有互养关系中代谢资源的利用可以弥补劣势种在竞争外界资源时的不足，多物种才可以全部共存。（3）验证数值模拟结果的普遍性，分析参数变化对共存的影响，结果表明代谢互养关系促进的共存对代谢资源相关参数不敏感，参数的改变只影响平衡态时物种的种群密度。所以，代谢互养关系可以促进相互竞争的微生物物种共存，即微生物之间的互养关系很可能是维持物种多样性的一种机制。