人类肠道微生物群落中的生态-进化反馈

2024-04-30 Tue
这是一篇报道人体肠道微生物菌群内部的进化与生态结构变化之间关联的学术论文。
背景介绍:
人体肠道内存在数以百计种类的微生物,它们之间存在着复杂的生态学相互作用。近年研究发现,肠道微生物可以在人类相关的时间尺度内发生进化,但我们对这种进化如何影响(或受)当地微生物群落的组成变化知之甚少。本研究旨在探讨人体肠道菌群在短期内的进化与其生态结构变化之间的关联。
论文出处:
本文作者为斯坦福大学的Benjamin H. Good和Layton B. Rosenfeld,发表于2023年的自然科学期刊《自然通讯》(Nature Communications)。
研究方法:
1) 研究对象:使用了”人体微生物组计划”(Human Microbiome Project)的一批粪便宏基因组测序数据,涵盖100多名健康人体,每人2-3个不同时间点的数据,跨度约6个月。
2) 分析流程:
a) 对每个物种中的单核苷酸变异(SNV)进行分型,判断发生了”种系置换”(strain replacement,>100个SNV变化)或”进化修饰”(evolutionary modification,<100个SNV变化)事件。
b) 计算每对时间点之间样本的物种组成Jensen-Shannon距离,作为生态结构变化的量化指标。
c) 检验进化事件(种系置换/修饰)与生态距离之间是否存在统计学相关性,并分析贡献成分。
d) 建立简单的资源竞争模型,探讨理论上是否能产生类似的生态-进化反馈现象。
主要发现:
1) 不同物种的种系置换和进化修饰发生率存在显著差异,细菌门水平差异更大(如厚壁菌门高于拟杆菌门)。
2) 进化修饰事件与当地群落物种多样性呈微弱正相关,但差异小于门水平差异。
3) 发生种系置换或进化修饰的群落,其生态距离显著大于未发生遗传变化的群落。
4) 这种生态距离的增加不完全可由核心物种的相对丰度变化解释,常常涉及非核心、非亲缘物种的变动。
5) 即使在简单的资源竞争模型中,有利突变也可能降低其所在物种的相对丰度,并涉及其他物种的协同变化。
研究意义:
1) 短期微生物进化可能影响宿主微生物群落的结构和功能,为个体化医疗和微生物组工程提供新视角。
2) 提出检测野生微生物群落中生态-进化反馈的新方法,可推广至其他复杂微生物生态系统。
3) 理论分析表明,这种反馈现象可能源自简单的资源竞争动力学,无需其他作用力(如物质交换、噬菌体等)。
创新之处:
1) 利用大规模队列数据,在自然人体环境中统计学证据观察到短期微生物进化与群落生态结构的相关性。
2) 分析发现这种相关性常涉及非亲缘物种的变动,而非仅限于进化物种的单一扩张/收缩。
3) 通过建模和理论分析,提出简单资源竞争即可产生类似的生态-进化反馈现象。