文献阅读 | 多组学分析预测复杂微生物群落的动态变化

文摘   2024-05-27 19:15   浙江  


原题:Forecasting the dynamics of a complex microbial community using integrated meta-omics

通讯作者:Paul Wilmes

第一作者:Francesco Delogu

第一单位:University of Luxembourg

期刊:Nature Ecology & Evolution

时间:2023

论文链接:10.1038/s41559-023-02241-3


文章摘要

本文将水处理厂厌氧反应池14个月的多组学数据聚类为17个特征基因簇,并将这些基因簇与微生物群落的生态事件相联系。构建用于预测微生物群落动态变化的模型,并用21个样本验证。研究表明通过分析微生物群落与环境参数之间的互作,可以预测微生物群落的动态变化。

主要内容

1、微生物群落特征
本文收集并分析了14个月内来自生物废水处理厂厌氧池的多组学(宏基因组学(MG),宏转录组学(MT)和宏蛋白质组学(MP))数据,并聚类为bins(原核和真核)和contigs(病毒、质粒和未分类),共恢复了144个代表性的MAGs(rMAGs)和1,681,736个代表性质粒(rContigs)。通过分析 rMAGs发现,微生物群落中包含了预期的微生物门类,包括放线菌门、拟杆菌门、绿菌门、梭杆菌门、硝化螺旋菌门以及变形菌门等。

图1 rMAGs的多样性和质量及其在数据集中的代表性


2、微生物群落的时间信号
为了解微生物群落的时间信号,本文同时探索多个分类学和功能类型,并总结了它们的时间特征。其中包括三个量化矩阵(MG、MT 和 MP)、六个分类等级(门、纲、目、科、属和种)和两个功能类型(KO 和反应通路)。本文将 210 个 特征基因(EGs)聚类到 17 个特征基因簇中(S1–17)。
本文以环境参数为变量对17 个特征基因簇进行建模,解释群落动态。研究发现与环境因素相比,ARIMA模型相关的变量对时间信号预测的贡献比重更大。

图2 利用环境参数和傅里叶项增强的ARIMA特征基因建模


3、未来的时间点的

本文使用三种模型(ARIMA、Prophet和神经网络模型)对17个信号进行训练。利用2011-2012年之间的51周数据作为训练集,并选择三个得分最高的模型构建一个综合模型。在随后的5年中收集6月份的数据用于验证模型,以评估MG和MT的准确性。其中有6个特征基因簇预测完全准确,包括S1、S2、S4、S5、S10和S16。但在测试中,模型与训练集较为吻合,而在测试集中的预测不够准确,这可能因为模型对训练集过度拟合或训练集规模不足。

图3 生物信号预测


4.微生物群落与理化参数的关系
本文重利用训练集的数据创建线性模型,计算各信号对样本的贡献及基因丰度/表达。通过分类家族、反应类型和代谢途径的验证,将结果与特征基因簇结合用于测试矩阵。3年内模型预测的变异系数达0.87以上,能够正确地描绘微生物群落的结构和功能。从第四年开始预测精度开始下降,表明微生物群落的高度变异性导致预测准确性降低。

图4 2012-2016年的特征基因簇模型重构


总结
本研究通过对废水处理厂(WWTP)中厌氧反应池14个月的多组学数据进行总结,聚类了17个特征基因簇。利用所有17个特征基因簇和环境变量预测了微生物群落的基因丰度和表达。研究表明通过分析微生物群落与环境参数之间的互作,可以预测微生物群落的动态变化。


声明:本文仅供科研交流使用,文章翻译内容可能与原文略有出入,如有侵权或重大问题请通过后台与编辑联系。


来源|浙江大学环境微生物课题组

推文作者|朱文龙

责任编辑|朱林



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