本發(fā)明屬于微生物學(xué)領(lǐng)域，涉及一種評(píng)估微生物系統(tǒng)彈性的方法。

背景技術(shù)：

1、彈性一詞于1973年首次引入生態(tài)學(xué)，并定義彈性為系統(tǒng)吸收和適應(yīng)干擾的能力，且保持其基本結(jié)構(gòu)和功能不變。微生物系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)和功能，對(duì)外部擾動(dòng)具有適應(yīng)性，可利用彈性表征微生物系統(tǒng)對(duì)擾動(dòng)的快速響應(yīng)。然而，由于從20世紀(jì)90年代開始，生態(tài)學(xué)中的大型野外實(shí)驗(yàn)才向微觀實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)型，導(dǎo)致對(duì)于各生態(tài)系統(tǒng)中微生物系統(tǒng)的研究滯后，尤其是微生物系統(tǒng)彈性的評(píng)估。

2、微生物系統(tǒng)彈性評(píng)估可利用的方法有3類：一是借鑒其他生態(tài)系統(tǒng)的評(píng)估手段，將擾動(dòng)前、中、后時(shí)期某一指標(biāo)的變化差值作為抵抗力、功能冗余及彈性；二是利用平均變異度評(píng)價(jià)系統(tǒng)穩(wěn)定狀態(tài)；三是利用勢(shì)函數(shù)計(jì)算如勢(shì)能深度、退出時(shí)間等指標(biāo)。然而，當(dāng)前可利用的方法無(wú)法真正的評(píng)估彈性，且缺乏合理的方法學(xué)，難以捕捉微觀層面的動(dòng)態(tài)。這在一定程度上限制了深入探究微生物系統(tǒng)對(duì)外部擾動(dòng)的響應(yīng)和在微生物系統(tǒng)探究彈性評(píng)估的發(fā)展。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種評(píng)估微生物系統(tǒng)彈性的方法。

2、為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

3、一種評(píng)估微生物系統(tǒng)彈性的方法，該方法包括以下步驟：

4、s1：多組學(xué)數(shù)據(jù)獲?。韩@取微生物群落的宏基因組學(xué)和宏轉(zhuǎn)錄組學(xué)數(shù)據(jù)；

5、s2：特定功能的微生物群篩選：根據(jù)目標(biāo)功能篩選出參與特定代謝途徑的功能微生物；

6、s3：評(píng)估抵抗力：計(jì)算微生物群落在代謝途徑中各過(guò)程的shannon多樣性和凝聚力，并據(jù)此計(jì)算抵抗力；

7、s4：評(píng)估功能冗余：根據(jù)功能冗余定義和冗余物種判定，計(jì)算微生物群落在代謝途徑中各過(guò)程的功能冗余；

8、s5：評(píng)估彈性：將抵抗力和功能冗余進(jìn)行線性擬合，并基于抵抗力、功能冗余及擬合線所圍面積計(jì)算彈性，并進(jìn)一步計(jì)算彈性維持。

9、該方法包括概念框架的重建和方法學(xué)的構(gòu)建，該概念框架的基礎(chǔ)是彈性研究過(guò)程中逐漸達(dá)成的共識(shí)，即微生物群落的彈性由兩部分決定，即抵抗力和恢復(fù)力。抵抗力是指微生物群落在面臨外部干擾時(shí)維持群落結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)功能的能力；恢復(fù)力是指生態(tài)系統(tǒng)功能在受到干擾后趨于穩(wěn)定或迅速恢復(fù)到干擾前水平的趨勢(shì)。另一方面，功能冗余描述了微生物群落在不影響性能的情況下相互替代的能力，最終影響微生物群落的恢復(fù)潛力。最終，彈性由“抵抗力”和“功能冗余”共同決定，并基于球和杯啟發(fā)式在穩(wěn)定域下表征了這一概念。多組學(xué)技術(shù)提供了探究微生物群落彈性和非線性特征的機(jī)會(huì)。宏基因組學(xué)包含其成員的完整基因構(gòu)成，可用于評(píng)估總基因組dna及其代謝潛力。宏轉(zhuǎn)錄組學(xué)的數(shù)據(jù)與微生物表達(dá)的基因子集有關(guān)，提供了基于序列的表達(dá)概況，并捕捉了在特定環(huán)境中生存所必需的基因快照。解碼宏基因組學(xué)和宏轉(zhuǎn)錄組學(xué)中微生物群落結(jié)構(gòu)與功能之間的復(fù)雜關(guān)系可為彈性帶來(lái)新的見解。由此，可獲得彈性的范圍，并確定微生物群落是否適應(yīng)外部干擾以維持功能。

10、方法學(xué)的構(gòu)建包括對(duì)功能冗余、抵抗力及彈性分別進(jìn)行評(píng)估。

11、功能冗余指的是多個(gè)不同生物體執(zhí)行共同代謝功能的能力。本文對(duì)功能冗余的評(píng)估正是基于這一定義，因此評(píng)估的重點(diǎn)是對(duì)冗余物種進(jìn)行量化。代謝途徑中有許多過(guò)程，每個(gè)過(guò)程都由不同的功能基因執(zhí)行?；诙嘟M學(xué)技術(shù)，冗余物種的確定有兩種類型：ⅰ)在宏基因組學(xué)或宏轉(zhuǎn)錄組學(xué)層中，如果一個(gè)物種參與了至少兩個(gè)過(guò)程的執(zhí)行，則該物種被認(rèn)為是冗余的；ⅱ)同一代謝途徑下，在宏基因組學(xué)層和宏轉(zhuǎn)錄組學(xué)層之間，如果一個(gè)物種出現(xiàn)在同一過(guò)程中，則該物種被認(rèn)為是冗余的。冗余物種越多，功能冗余程度越高。根據(jù)冗余物種的數(shù)量確定功能冗余的評(píng)估值。功能冗余rfunc的評(píng)估如下所示：

12、

13、式中，a是代謝途徑的第a個(gè)過(guò)程；na,mg和na,mt分別是宏基因組學(xué)(metagenomics,mg)層和宏轉(zhuǎn)錄組學(xué)(metatranscriptomics,mt)層的第a個(gè)過(guò)程的物種數(shù)；na,r(mg)和na,r(mt)是宏基因組學(xué)層或宏轉(zhuǎn)錄組學(xué)層在a過(guò)程中的冗余物種數(shù)；na,r(mg∩mt)是指宏基因組學(xué)層和宏轉(zhuǎn)錄組學(xué)層之間在a過(guò)程中的冗余物種數(shù)。

14、抵抗力rstru是根據(jù)robert?may的理論貢獻(xiàn)進(jìn)行量化的。物種多樣性及其連接強(qiáng)度等因素在決定抵抗力方面發(fā)揮了作用。對(duì)物種多樣性和連接強(qiáng)度的評(píng)估細(xì)化也到了宏基因組學(xué)層和宏轉(zhuǎn)錄組學(xué)層每條代謝途徑的每個(gè)過(guò)程。在這里，連接強(qiáng)度采用凝聚力coh度量。

15、rstru＝hshan-coh

16、

17、式中，hshan是香農(nóng)多樣性；sobs是觀測(cè)到的物種數(shù)；ai是樣本j中第i個(gè)物種的豐度；a是所有物種豐度的總和；表示兩個(gè)物種占據(jù)相似的生態(tài)位，并以相似的模式對(duì)干擾做出反應(yīng)，表示物種之間對(duì)養(yǎng)分或生態(tài)位的激烈競(jìng)爭(zhēng)。and分別為正連接強(qiáng)度和負(fù)連接強(qiáng)度。

18、彈性由抵抗力和功能冗余共同決定。在局部穩(wěn)定域下，具有非線性特征的微生物系統(tǒng)的彈性可被視為線性，因此將抵抗力和功能冗余進(jìn)行線性擬合。由于功能冗余有兩種類型，故彈性也包括了類型ⅰ和類型ⅱ。

19、類型ⅰ的彈性分別以宏基因組學(xué)層的抵抗力和功能冗余以及宏轉(zhuǎn)錄組學(xué)層的抵抗力和功能冗余來(lái)衡量。在類型ⅰ中，我們假設(shè)微生物系統(tǒng)的抵抗力越強(qiáng)，所需的功能冗余就越少。根據(jù)這一假設(shè)，出現(xiàn)了三種情況：

20、1)微生物系統(tǒng)具有抵抗力且完全不受干擾，不需要功能冗余；

21、2)微生物系統(tǒng)的抵抗力受到干擾并減弱，出現(xiàn)功能冗余以支持功能恢復(fù)；

22、3)微生物系統(tǒng)完全受干擾的影響，則功能冗余增強(qiáng)以維持系統(tǒng)功能的正常發(fā)揮。

23、類型ⅱ的彈性分別以宏基因組學(xué)層的抵抗力和宏基因組學(xué)層與宏轉(zhuǎn)錄組學(xué)層之間的功能冗余以及宏轉(zhuǎn)錄組學(xué)層的抵抗力和宏基因組學(xué)層與宏轉(zhuǎn)錄組學(xué)層之間的功能冗余來(lái)衡量。在類型ⅱ中，我們假定微生物系統(tǒng)的抵抗力越強(qiáng)，參與同一過(guò)程的物種就越多，則在宏基因組學(xué)層和宏轉(zhuǎn)錄組學(xué)層之間的功能冗余程度更強(qiáng)。根據(jù)這一假設(shè)，同樣具有三種情況：

24、1)如果微生物群在宏基因組學(xué)層和宏轉(zhuǎn)錄組學(xué)層都能抵抗外界干擾，那么宏基因組學(xué)層和宏轉(zhuǎn)錄組學(xué)層之間的功能冗余就很強(qiáng)；

25、2)微生物群的抵抗力在宏基因組學(xué)層和宏轉(zhuǎn)錄組學(xué)層都受到干擾而減弱，參與某一過(guò)程的物種減少，宏基因組學(xué)層和宏轉(zhuǎn)錄組學(xué)層之間的功能冗余也減少；

26、3)當(dāng)?shù)挚沽ν耆艿礁蓴_影響時(shí)，功能冗余就很弱，在宏基因組學(xué)層和宏轉(zhuǎn)錄組學(xué)層間的同一過(guò)程中，功能冗余將由新物種來(lái)發(fā)揮。

27、抵抗力和功能冗余所屬范圍同抵抗力和功能冗余擬合線作為邊界，其所圍區(qū)域被用來(lái)衡量彈性res。同時(shí)，彈性維持res,main為正值，表示微生物群的功能正常發(fā)揮。

28、類型ⅰ彈性的計(jì)算公式為：

29、res,mg＝∫∫f(x,y)mgdxdy

30、res,mt＝∫∫f(x,y)mtdxdy

31、res,main＝res,mt-res,mg

32、式中，res,mg和res,mt分別為在宏基因組學(xué)層和宏轉(zhuǎn)錄組學(xué)層量化的彈性；f(x,y)mgand?f(x,y)mt分別為在宏基因組學(xué)層和宏轉(zhuǎn)錄組學(xué)層的抵抗力和功能冗余的擬合線；x為抵抗力范圍；y為功能冗余范圍；res,main是res,mt和res,mg的差值。

33、類型ⅱ彈性的計(jì)算公式為：

34、res,g＝∫∫f(xmg,ymg∩mt)dxdy

35、res,t＝∫∫f(xmt,ymg∩mt)dxdy

36、res,main＝res,t-res,g

37、式中，res,g是在宏基因組學(xué)層以及宏基因組學(xué)和宏轉(zhuǎn)錄組學(xué)層間量化的彈性；res,t是在宏轉(zhuǎn)錄組學(xué)層以及宏基因組學(xué)和宏轉(zhuǎn)錄組學(xué)層間量化的彈性；f(xmg,ymg∩mt)是宏基因組學(xué)層抵抗力以及宏基因組學(xué)和宏轉(zhuǎn)錄組學(xué)層間功能冗余的擬合線；f(xmt,ymg∩mt)是宏轉(zhuǎn)錄組學(xué)層抵抗力以及宏基因組學(xué)和宏轉(zhuǎn)錄組學(xué)層間功能冗余的擬合線；x為抵抗力范圍；y為功能冗余范圍；res,main是res,t和res,g的差值。

38、該方法僅考慮微生物系統(tǒng)在任一穩(wěn)定域下的彈性，所在穩(wěn)定域可能是新的穩(wěn)定域。由于抵抗力、功能冗余及彈性的評(píng)估都細(xì)化到了代謝路徑的每個(gè)過(guò)程，因此，評(píng)估的前提是知曉具體的代謝路徑，且該代謝路徑中有至少2個(gè)代謝過(guò)程。若采用擴(kuò)增子測(cè)序獲得微生物群落組成和特定基因豐度，將由于測(cè)序深度的不足影響彈性評(píng)估的準(zhǔn)確性。此約束適用于本發(fā)明的全部?jī)?nèi)容，以下不再贅述。

39、本發(fā)明的有益效果在于：

40、(1)通過(guò)宏基因組學(xué)和宏轉(zhuǎn)錄組學(xué)技術(shù)，能夠全面解析微生物群落的基因組成和表達(dá)情況，深入理解微生物群落的結(jié)構(gòu)和功能，為揭示微生物系統(tǒng)彈性提供基礎(chǔ)。

41、(2)宏轉(zhuǎn)錄組學(xué)技術(shù)能夠捕捉微生物群落基因表達(dá)的動(dòng)態(tài)變化，從而更準(zhǔn)確地評(píng)估微生物系統(tǒng)對(duì)外部擾動(dòng)的響應(yīng)，提高彈性評(píng)估的準(zhǔn)確性。

42、(3)宏基因組學(xué)和宏轉(zhuǎn)錄組學(xué)技術(shù)能夠識(shí)別參與同一功能的冗余物種，并量化其在代謝途徑中的參與情況，從而更準(zhǔn)確地評(píng)估功能冗余程度，為彈性評(píng)估提供重要依據(jù)。

43、(4)相比于傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法，宏基因組學(xué)和宏轉(zhuǎn)錄組學(xué)具有更高分辨率的微生物數(shù)據(jù)，顯著提高研究深度。

44、本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)、目標(biāo)和特征在某種程度上將在隨后的說(shuō)明書中進(jìn)行闡述，并且在某種程度上，基于對(duì)下文的考察研究對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員而言將是顯而易見的，或者可以從本發(fā)明的實(shí)踐中得到教導(dǎo)。本發(fā)明的目標(biāo)和其他優(yōu)點(diǎn)可以通過(guò)下面的說(shuō)明書來(lái)實(shí)現(xiàn)和獲得。