科研快讯 | Cell：基因组结构可以预测微生物群落中的代谢动力学

编译：微科盟索亚，编辑：微科盟索亚、江舜尧。

图1. 量化反硝化菌群中的硝酸盐和亚硝酸盐动力学，以将基因组结构映射到代谢功能。（A）将基因组结构与不同细菌库中的群落代谢功能联系起来的路线图；将单个菌株的基因型（圆圈）映射到它们的代谢表型（直箭头），然后结合群落中每个菌株的代谢活性来预测代谢动力学；（B）Nar/Nir（紫色）、Nar（蓝色）和Nir（红色）分离株的分批培养代谢动力学示例；通过采样和比色测定硝酸盐（蓝点）和亚硝酸盐（红点）动力学；（C）每个菌株还原硝酸盐和亚硝酸盐的消费者资源模型的丰度（x）、硝酸盐浓度（A）和亚硝酸盐浓度（I）；该模型由还原率rA和rI参数化，并产生γA和γI，分别用于在硝酸盐和亚硝酸盐上生长；（D）（D）62种反硝化菌株的系统发育树和标准化消费者资源参数；使用16SrRNA基因构建的系统发育树，比例尺表示每个位点的估计替换数；较深的颜色表示标准化参数的较大值；每个分离株都被分配了一个唯一的标识符；跨不同分离株测量的表型参数构成了将基因组多样性与代谢物动力学联系起来的数据集。

图2. 从基因存在和缺失到个体菌株代谢物动力学的统计映射。（A）文库中62种反硝化菌株在反硝化途径中基因的存在和缺失；应变标识符对应于图1D中的信息，每个圆圈的颜色对应于已知的基因功能；（B）观察到每个菌株的消费者资源表型参数，通过L1正则化回归对基因存在和不存在进行线性回归，每个基因j的回归系数βj，截距β0；系数βj反映了拥有基因j对相应表型参数的影响，对每个表型参数进行独立回归；（C、D、E、F）分别表示rA、γA、rI、γI的预测值与实测值之间的关系；虚线表示观察和预测之间一致性，显示了这些数据的样本内确定系数和通过迭代交叉验证估计的样本外确定系数，N表示每个回归中的菌株数；（G、H、I、J）分别显示了rA、γA、rI和γI的βj和β0估计值，星号表示每个β（*：p≤ 0.05，**：p≤0.01，***：p≤0.001，****：p ≤0.0001）。

图3. 两种菌株群落中的代谢动力学可以从单一培养中预测。（A）三种反硝化表型（Nar/Nir，紫色；Nar，蓝色；Nir；红色）的所有组合的配对培养动力学示例，前两列显示了单独培养的两种菌株中的每一种的代谢物动力学；第三列显示了两个菌株（点）的配对培养的代谢动力学，使用消费者资源模型进行零自由参数预测；（B）使用N菌株消费者资源模型（基于图1C）来预测配对培养代谢动力学（N = 2）；A 和 I 分别是硝酸盐和亚硝酸盐的浓度，xi表示菌株i的丰度，参数riA，γiA，riI和γiI由单一培养实验确定（图1D）；（C）NRMSE值矩阵，量化所有12个菌株对的模型预测质量：4Nar/Nir、4Nar、4Nir；菌株名称对应图1D和2A；只有Nar + Nir群落消费者资源模型预测效果不佳（置换检验，p < 0.00001）。

图4. 三种菌株群落中的代谢动力学是可预测的，消费者资源模型为三种菌株群落中的代谢物动力学提供了预测，这些预测得到了试验验证。（A）三种菌株群落（Nar/Nir + Nar/Nir+Nar）群落的代谢动力学，前三个面板显示了单独培养的每个菌株的代谢动力学，第四个面板显示了三种菌株群落的代谢动力学，曲线显示了消费者资源模型的预测（图3B）；（B）NRMSE值量化了三种菌株群落的消费者资源模型预测的质量，橙色和（灰色）点表示确实（不）包含Nar + Nir对的三种菌株群落。该模型对Nar + Nir配对培养动力学的预测效果不佳（图3C），并导致包含Nar + Nir 配对的三种菌株群落中的高NRMSE（比较橙色和灰色点）；顶部和底部散点图将仅使用单一栽培数据的消费者资源模型的预测与将Nar +Nir对描述为三种菌株群落内的模块的进行比较；（C）以Nar + Nir对为例的代谢动力学，其中左侧面板中的曲线显示了仅使用适合单一栽培的参数对消费者资源模型的预测，右侧面板中的曲线显示了重新拟合还原率的结果（rA，rI）到Nar + Nir配对培养数据，但将产量（γA，γI）固定为单一培养值；（D）含有Nar/Nir菌株和Nar + Nir对的三种菌株群落的代谢动力学；左侧的曲线显示了利用单一菌株培养实验得出的参数对消费者资源模型的预测，右侧的曲线显示了当Nar +Nir对被视为一个由对培养数据反映出的速率参数模块时的预测。