将细菌群落中的随机组装过程与功能潜力、冗余性及性状模式联系起来

《Microbiome》：Linking stochastic assembly to functional potential, redundancy, and trait patterns in bacterial communities

　　

摘要

背景

随机过程决定了微生物群落的分类组成。然而，它们对群落功能的影响仍存在争议，主要是由于功能冗余的存在。关于随机性与功能冗余之间的联系，我们知之甚少。在这里，我们研究了在最初相同条件下富集的二十个平行湖泊水生细菌群落中，随机组装如何影响冗余性、功能潜力和特征模式。通过使用基因和基因组解析的宏基因组学方法，我们测试了用于纤维素吸收和处理的基因传播不完全（即“功能传播限制”）是否能够解释纤维素利用的差异。

结果

一些群落虽然拥有所需的基因，但并未利用纤维素，这否定了“功能传播限制”的观点。我们量化了信号传导、调控和运输等主要功能类别中的冗余性。功能冗余反映了来自所有基因组的随机组装结果。群落内部的冗余性低于群落之间的冗余性，这可能反映了相似性的限制以及栖息地驱动的功能趋同。在不同多样性尺度上，甚至在对基因组分类数据库（Genome Taxonomy Database）中随机抽取的28,000个细菌基因组集合中，功能差异的模式都保持一致。在这些类别中，介导环境相互作用和微生物间相互作用以及遗传信息处理的功能具有最高的差异性，而最低的差异性则出现在其他功能中。水生细菌在大多数类别中表现出最大的分化。

结论

细菌群落的随机组装决定了其功能特征的分布。从宏基因组中推断出的功能冗余在很大程度上反映了所有微生物基因组（MAGs）的特征模式。功能冗余和差异性因功能类别而异。通过与基于GTDB基因组构建的零模型进行比较，我们能够根据不同功能识别出不同的功能选择强度。虽然随机性使群落组成多样化，但功能模式仍然保持一致，这反映了受到栖息地影响的共同生态和进化约束。因此，使用零模型作为参考对于解释功能冗余非常重要，并可能提供更准确的理解，即随机组装和生态约束如何塑造群落层面的功能组织。

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此图像的替代文本可能是由AI生成的。

背景

随机过程决定了微生物群落的分类组成。然而，它们对群落功能的影响仍存在争议，主要是由于功能冗余的存在。关于随机性与功能冗余之间的联系，我们知之甚少。在这里，我们研究了在最初相同条件下富集的二十个平行湖泊水生细菌群落中，随机组装如何影响冗余性、功能潜力和特征模式。通过使用基因和基因组解析的宏基因组学方法，我们测试了用于纤维素吸收和处理的基因传播不完全（即“功能传播限制”）是否能够解释纤维素利用的差异。

结果

一些群落虽然拥有所需的基因，但并未利用纤维素，这否定了“功能传播限制”的观点。我们量化了信号传导、调控和运输等主要功能类别中的冗余性。功能冗余反映了来自所有基因组的随机组装结果。群落内部的冗余性低于群落之间的冗余性，这可能反映了相似性的限制以及栖息地驱动的功能趋同。在不同多样性尺度上，甚至在对基因组分类数据库（Genome Taxonomy Database）中随机抽取的28,000个细菌基因组集合中，功能差异的模式都保持一致。在这些类别中，介导环境相互作用和微生物间相互作用以及遗传信息处理的功能具有最高的差异性，而最低的差异性则出现在其他功能中。水生细菌在大多数类别中表现出最大的分化。

结论

细菌群落的随机组装决定了其功能特征的分布。从宏基因组中推断出的功能冗余在很大程度上反映了所有微生物基因组（MAGs）的特征模式。功能冗余和差异性因功能类别而异。通过与基于GTDB基因组构建的零模型进行比较，我们能够根据不同功能识别出不同的功能选择强度。虽然随机性使群落组成多样化，但功能模式仍然保持一致，这反映了受到栖息地影响的共同生态和进化约束。因此，使用零模型作为参考对于解释功能冗余非常重要，并可能提供更准确的理解，即随机组装和生态约束如何塑造群落层面的功能组织。

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