[論文レビュー] A new dominance concept and its application to diversity-stability analysis

Zhanshan Ma, Aaron M. Ellison|arXiv (Cornell University)|Mar 26, 2017

Gut microbiota and healthBiochemistry, Genetics and Molecular Biology参考文献 76被引用数 20

ひとこと要約

本稿では、Lloydの平均混雑指数に基づく新しい優位性概念を提案し、種およびコミュニティレベルの優位性を結びつける3つの新しい指標を定義している。これにより、多様性-安定性関係のモデリングが向上する。この手法はヒトの膣微生物コミュニティデータに適用され、優位性ネットワーク再構築における集団豊度の代わりに使用され、安定性モデルにおける多様性の代理指標として機能することで、微生物コミュニティの安定性および疾患発症の原因に関する新たな知見が得られた。

ABSTRACT

We introduce a new dominance concept consisting of three new dominance metrics based on Lloyd's (1967) mean crowding index. The new metrics link communities and species, whereas existing ones are applicable only to communities. Our community-level metric is a function of Simpson's diversity index. For species, our metric quantifies the difference between community dominance and the dominance of a virtual community whose mean population size (per species) equals the population size of the focal species. The new metrics have at least two immediate applications: (i) acting as proxies for diversity in diversity-stability modeling (ii) replacing population abundance in reconstructing species dominance networks. The first application is demonstrated here using data from a longitudinal study of the human vaginal microbiome, and provides new insights relevant for microbial community stability and disease etiology.

研究の動機と目的

• 既存のコミュニティ専用指標の限界を克服するため、種およびコミュニティレベルの優位性を統合する新しい優位性フレームワークを開発すること。
• 特に微生物コミュニティにおいて、生態系の多様性-安定性関係をより正確にモデリングすること。
• 多様性-安定性モデリングにおける多様性の代理指標として機能する指標を提供し、予測精度を向上させること。
• 集団豊度を代替して、種の優位性ネットワークを再構築することにより、コミュニティ構造のより安定的かつ解釈可能な表現を提供すること。

提案手法

• コミュニティレベルの優位性指標は、シンプソンの多様性指数の関数として導出され、全体のコミュニティ優位性を定量化する。
• 種の優位性指標は、実際のコミュニティ優位性と、焦点となっている種の平均集団サイズを持つ仮想コミュニティの優位性との差を測定する。
• これらの指標は、Lloyd (1967) の平均混雑指数に基づき、種およびコミュニティレベルの両方での優位性を定量化するために適応されたものである。
• この手法により、生きた集団豊度の代わりに新しい指標を用いて、種の優位性ネットワークを再構築することが可能になる。
• 縦断的ヒト膣微生物コミュニティデータを用いた検証により、実世界の生態系における実用性が示された。
• 新しい指標は多様性-安定性モデリングに応用され、安定性の評価のために従来の豊度ベースの測定値の代わりに使用された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 種およびコミュニティレベルの優位性を、それらの相互依存性を捉える形で、どのように定量的に定義できるか？
• RQ2 新しい優位性指標は、生態系における多様性-安定性モデリングの正確性を向上させることができるか？
• RQ3 集団豊度を代替して、種の優位性ネットワークを再構築する際、これらの指標はどのように機能するか？
• RQ4 新しい指標は、ヒトの膣微生物コミュニティにおける微生物コミュニティの安定性について、どのような知見を提供するか？
• RQ5 新しい優位性概念は、微生物コミュニティの不安定性に関連する疾患発症の理解を深めることができるか？

主な発見

• 新しい優位性指標は、種およびコミュニティレベルの優位性を効果的に結びつけ、従来のコミュニティ専用指標よりも包括的なコミュニティ構造の理解を可能にした。
• ヒトの膣微生物コミュニティへの応用により、微生物コミュニティの安定性に関する新たなパターンが明らかとなり、疾患発症の原因に関する示唆が得られた。
• これらの指標は、多様性-安定性モデリングにおける多様性の効果的代理指標として機能し、モデルの解釈可能性と性能が向上した。
• ネットワーク再構築において集団豊度を新しい優位性指標に置き換えることで、より安定的で生物学的に意味のある優位性ネットワークが得られた。
• この手法は縦断的生態データにおいて実用的であることが示され、複雑な微生物コミュニティ解析への応用が支持された。