本發(fā)明涉及一種群落水平量化及評(píng)估方法，尤其涉及一種基于菌間互作與菌群結(jié)構(gòu)的群落水平量化及評(píng)估方法，屬于生物信息學(xué)與生物。

背景技術(shù)：

1、微生物群落的結(jié)構(gòu)與功能直接關(guān)系到生態(tài)系統(tǒng)的健康和穩(wěn)定。評(píng)估微生物群落的健康狀況和功能狀態(tài)對(duì)生態(tài)保護(hù)、環(huán)境治理以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等都具有重要意義。測序技術(shù)使微生物群落的分析需要處理海量的數(shù)據(jù)，然而微生物群落的復(fù)雜多維性導(dǎo)致其無法直接帶入大數(shù)據(jù)模型。傳統(tǒng)的降維方法，如非度量多維尺度分析和主成分分析，其結(jié)果缺乏生物學(xué)上的明確解釋，因此無法解析群落優(yōu)劣。而其他的微生物群落評(píng)估指標(biāo)，如多樣性指數(shù)，通常只關(guān)注物種的數(shù)量和均勻度。其中，最常用的α多樣性不能充分捕捉物種之間的相互作用以及物種功能對(duì)整體群落的影響力；而β多樣性則不能實(shí)現(xiàn)對(duì)群落的量化及評(píng)估?，F(xiàn)有的評(píng)價(jià)方法或評(píng)價(jià)指標(biāo)均無法同時(shí)捕捉群落內(nèi)部的協(xié)同效應(yīng)、競爭關(guān)系以及群落對(duì)外部環(huán)境的響應(yīng)，因而無法準(zhǔn)確地反映微生物群落的整體健康狀況。

2、基于網(wǎng)絡(luò)分析的微生物群落評(píng)估方法通過構(gòu)建物種間的關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，能夠識(shí)別出正向或負(fù)向的相互作用，隨后通過網(wǎng)絡(luò)密度、節(jié)點(diǎn)數(shù)量及邊數(shù)量等滿足生物學(xué)上可解釋性的拓?fù)湎禂?shù)，評(píng)估群落優(yōu)劣。但這些指標(biāo)沒有充分考慮物種豐度對(duì)群落功能的不同影響，而高豐度物種對(duì)群落影響程度較高，低豐度物種對(duì)群落的影響相對(duì)較低。因此，單純依賴網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋪碓u(píng)估微生物群落其實(shí)忽略了重要物種對(duì)群落功能和穩(wěn)定性的貢獻(xiàn)，也導(dǎo)致無法準(zhǔn)確反映微生物群落整體的功能性和穩(wěn)定性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、發(fā)明目的：本發(fā)明的目的是提供一種準(zhǔn)確評(píng)估微生物群落穩(wěn)定性和功能性的方法。

2、技術(shù)方案：本發(fā)明提供一種基于菌間互作與菌群結(jié)構(gòu)的群落水平量化及評(píng)估方法，包括以下步驟：

3、第一步，獲取微生物群落信息并構(gòu)建生物關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，計(jì)算物種間的菌間互作系數(shù)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建結(jié)果進(jìn)行顯著性分析，篩選出高度相關(guān)的菌間互作系數(shù)；

4、第二步，計(jì)算每個(gè)物種的高度相關(guān)的菌間互作系數(shù)的平均值，得到物種平均菌間互作系數(shù)矩陣；

5、第三步，將物種相對(duì)豐度表作為權(quán)重與物種平均菌間互作系數(shù)矩陣相乘，得到物種的正向關(guān)聯(lián)強(qiáng)度和負(fù)向關(guān)聯(lián)強(qiáng)度；

6、第四步，將微生物群落中所有物種的正向關(guān)聯(lián)強(qiáng)度和負(fù)向關(guān)聯(lián)強(qiáng)度分別求和，得到微生物群落的正向關(guān)聯(lián)強(qiáng)度和負(fù)向關(guān)聯(lián)強(qiáng)度，繼續(xù)求和，得到群落總關(guān)聯(lián)強(qiáng)度。

7、第一步中，篩選高度相關(guān)的菌間互作系數(shù)可以避免多重共線性。第二步得到的物種平均菌間互作系數(shù)能夠表明該物種在共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中的生態(tài)位。第三步將物種豐度納入評(píng)估過程，將菌間互作與菌群結(jié)構(gòu)相結(jié)合，充分考慮了物種豐度對(duì)群落功能的不同影響，從而準(zhǔn)確表明了不同物種對(duì)群落總關(guān)聯(lián)強(qiáng)度的貢獻(xiàn)。第四步中，由物種正向、負(fù)向關(guān)聯(lián)強(qiáng)度求和，先得到群落正向、負(fù)向關(guān)聯(lián)強(qiáng)度，再求和得到群落總關(guān)聯(lián)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)了群落水平量化。

8、由上述群落水平量化及評(píng)估方法得到的群落總關(guān)聯(lián)強(qiáng)度可以看作一個(gè)新的微生物群落評(píng)估指標(biāo)，發(fā)明人將其命名為群落協(xié)同指數(shù)（community?synergy?index,?csi）。csi指數(shù)越大，意味著群落總正向關(guān)聯(lián)強(qiáng)度越強(qiáng)，微生物群落的穩(wěn)定性和功能性越好。

9、優(yōu)選的，在第一步中，所述生物關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建方法包括spiec-easi方法、pearson相關(guān)系數(shù)或spearman相關(guān)系數(shù)。spiec-easi方法即生態(tài)關(guān)聯(lián)的稀疏逆協(xié)方差估計(jì)與統(tǒng)計(jì)推斷。

10、優(yōu)選的，在第一步中，所述顯著性分析的方法包括idirect方法或隨機(jī)矩陣?yán)碚搑mt法。idirect方法能夠去除網(wǎng)絡(luò)分析中的間接關(guān)系。隨機(jī)矩陣?yán)碚搑mt法能夠去除基于相關(guān)性分析得到的網(wǎng)絡(luò)中的非顯著關(guān)系。

11、優(yōu)選的，在第一步中，所述微生物群落信息可通過開放數(shù)據(jù)源或測序技術(shù)獲取。

12、優(yōu)選的，所述測序技術(shù)是16s?rrna擴(kuò)增子測序。測序技術(shù)也可選本領(lǐng)域所熟知的其他測序方案。

13、優(yōu)選的，所述16s?rrna擴(kuò)增子測序測定16s?rrna的v3-v4區(qū)。因?yàn)?6s?v4的引物通用性相對(duì)是所有可變區(qū)中最高的，也是目前研究中被廣泛認(rèn)可并使用的檢測區(qū)域。

14、優(yōu)選的，在第一步中，所述微生物群落信息包括物種類型及豐度。

15、優(yōu)選的，在第一步中，所述微生物群落中的物種包括基于16s?rrna的分類操作單元（otus）和擴(kuò)增子序列變體（asvs），以及宏基因組學(xué)的宏基因組組裝基因組（mags）。所述微生物群落中的物種包括但不限于前述三種來源。

16、優(yōu)選的，在第一步中，所述微生物群落是生物處理系統(tǒng)。

17、優(yōu)選的，所述生物處理系統(tǒng)是污水生物處理系統(tǒng)。

18、有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下顯著優(yōu)點(diǎn)：本發(fā)明提供的群落水平量化及評(píng)估方法全面涵蓋目標(biāo)群落的菌間互作及菌群結(jié)構(gòu)信息，可實(shí)現(xiàn)多維度微生物群落數(shù)據(jù)向低維的群落水平的量化，能夠直觀、準(zhǔn)確地評(píng)估微生物群落整體的功能性和穩(wěn)定性優(yōu)劣。

技術(shù)特征：

1.一種基于菌間互作與菌群結(jié)構(gòu)的群落水平量化及評(píng)估方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的群落水平量化及評(píng)估方法，其特征在于，在第一步中，所述生物關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建方法包括spiec-easi方法、pearson相關(guān)系數(shù)或spearman相關(guān)系數(shù)。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的群落水平量化及評(píng)估方法，其特征在于，在第一步中，所述顯著性分析的方法包括idirect方法或隨機(jī)矩陣?yán)碚搑mt法。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的群落水平量化及評(píng)估方法，其特征在于，在第一步中，所述微生物群落信息可通過開放數(shù)據(jù)源或測序技術(shù)獲取。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的群落水平量化及評(píng)估方法，其特征在于，所述測序技術(shù)是16srrna擴(kuò)增子測序。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的群落水平量化及評(píng)估方法，其特征在于，所述16s?rrna擴(kuò)增子測序測定16s?rrna的v3-v4區(qū)。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的群落水平量化及評(píng)估方法，其特征在于，在第一步中，所述微生物群落信息包括物種類型及豐度。

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的群落水平量化及評(píng)估方法，其特征在于，所述物種包括基于16s?rrna的分類操作單元和擴(kuò)增子序列變體，以及宏基因組學(xué)的宏基因組組裝基因組。

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的群落水平量化及評(píng)估方法，其特征在于，在第一步中，所述微生物群落是生物處理系統(tǒng)。

10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的群落水平量化及評(píng)估方法，其特征在于，所述生物處理系統(tǒng)是污水生物處理系統(tǒng)。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種基于菌間互作與菌群結(jié)構(gòu)的群落水平量化及評(píng)估方法，首先獲取微生物群落信息并構(gòu)建生物關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，由顯著性分析篩選出高度相關(guān)的菌間互作系數(shù)；其次計(jì)算每個(gè)物種的高度相關(guān)的菌間互作系數(shù)的平均值；接著將物種相對(duì)豐度表作為權(quán)重與物種平均菌間互作系數(shù)矩陣相乘；最后通過兩步求和得到群落總關(guān)聯(lián)強(qiáng)度，將其作為新的微生物群落評(píng)估指標(biāo)定義為群落協(xié)同指數(shù)。該指數(shù)越大，意味著群落總正向關(guān)聯(lián)強(qiáng)度越強(qiáng)，微生物群落的穩(wěn)定性和功能性越好。本發(fā)明提供的群落水平量化及評(píng)估方法全面涵蓋目標(biāo)群落的菌間互作及菌群結(jié)構(gòu)信息，可實(shí)現(xiàn)多維度微生物群落數(shù)據(jù)向低維的群落水平的量化，能夠直觀、準(zhǔn)確地評(píng)估微生物群落整體的功能性和穩(wěn)定性優(yōu)劣。

技術(shù)研發(fā)人員：王瑾豐,張書博,蘇涵,任洪強(qiáng)
受保護(hù)的技術(shù)使用者：南京大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/19