[论文解读] Mapping the bacterial metabolic niche space

Ashkaan K. Fahimipour, Thilo Groß|arXiv (Cornell University)|Aug 20, 2019

Genomics and Phylogenetic Studies参考文献 93被引用 75

一句话总结

本研究利用扩散映射对来自2,621个细菌属的基因组规模代谢网络进行分析，揭示了细菌代谢生态位空间的复杂分叉几何结构，该结构对应于主要生态策略。该方法识别出可解释的代谢特征（如光合作用和产甲烷作用）作为主导维度，从而实现基于微生物群落在不同生态系统中集体代谢功能的功能分类。

ABSTRACT

The rise in the availability of bacterial genomes defines a need for synthesis: abstracting from individual taxa, to see larger patterns of bacterial lifestyles across systems. A key concept for such synthesis in ecology is the niche, the set of capabilities that enables a population's persistence and defines its impact on the environment. The set of possible niches forms the niche space, a conceptual space delineating ways in which persistence in a system is possible. Here we use manifold learning to map the space of metabolic networks representing thousands of bacterial genera. The results suggest a metabolic niche space comprising a collection of discrete clusters and branching manifolds, which constitute strategies spanning life in different habitats and hosts. We further demonstrate that communities from similar ecosystem types map to characteristic regions of this functional coordinate system, permitting coarse-graining of microbiomes in terms of ecological niches that may be filled.

研究动机与目标

• 超越单个分类群，整合数千个细菌属的代谢能力模式。
• 基于基因组规模代谢网络，定义一种功能性的、基于性状的代谢生态位空间坐标系。
• 识别出与不同环境中主要生态角色相对应的可解释代谢策略。
• 通过在新功能坐标系中表征微生物群落的集体代谢功能，实现对微生物群落的生态学表征。

提出的方法

• 将扩散映射应用于由基因组规模代谢网络中底物-产物对定义的7,769维代谢特征空间。
• 使用NCBI RefSeq基因组上的CarveMe算法构建2,621个细菌属的代谢网络。
• 利用k近邻亲和矩阵的归一化拉普拉斯矩阵的前几个特征向量，定义新的非线性坐标轴。
• 通过置换富集分析（R中的fgsea）识别在扩散变量上具有极端值的分类群中富集的代谢物。
• 通过匹配与参考基因组相似度≥97%的序列，将地球微生物组计划中的环境16S rRNA样本映射到扩散空间。
• 使用Ward链接层次聚类，根据其在扩散空间中的分布对生态系统类型进行分组。

实验结果

研究问题

• RQ1 细菌的代谢生态位空间如何被表示为低维、可解释的几何结构？
• RQ2 在扩散映射中，哪些代谢特征对应于最重要的维度，且是否与已知的生态策略一致？
• RQ3 能否基于微生物群落在代谢生态位空间中的位置，对来自相似生态系统类型的群落进行分组？
• RQ4 在这一新坐标系中，微生物群落的集体代谢功能在多大程度上可被功能描述？
• RQ5 关键代谢通路（如光合作用或产甲烷作用）是否可在扩散映射中作为离散的、高影响力维度被检测到？

主要发现

• 第一个扩散变量清晰地将光合的蓝细菌与其他所有分类群分离，极端负值表明与光呼吸途径存在强烈重叠。
• 第二个变量区分了产甲烷古菌和硫酸盐还原细菌，高正值分类群中富集了辅酶F420和2-氧代-4-羟基丁酸酯。
• 第三个变量识别出有氧呼吸和硝酸盐还原，极端正值分类群中富集了NAD+和硝酸盐。
• 第四个变量捕捉了发酵代谢，高正值分类群中富集了乳酸和乙酸。
• 来自相似生态系统类型（如海洋、土壤和宿主相关环境）的群落聚集在扩散空间的不同区域，表明其具有共享的代谢角色。
• 该扩散空间可通过识别每种环境中最占优势的代谢策略，实现对微生物群落的功能分类，以97%的rRNA相似度作为生态位占据的阈值。