溫泉微生物多樣性分布研究取得進展

微生物菌群的時空分布系生物地理學核心內容，也是目前微生物生態研究的熱點課題。近日，中國科學院昆明動物研究所「計算生物與醫學生態學」課題組博士生李連偉應用「多樣性－面積」模型（DAR模型：Diversity-Area Relationship），重新分析了加拿大學者收集全球160多處溫泉的宏基因數據（Sharpe et al. 2014,the ISMEJ），首次建立溫泉微生物多樣性變化的生物地理模型，並從中揭示了一些重要發現，特別是首次發現細菌和古菌在空間異質性方面的顯著差別。細菌和古菌在系統生物學「分界」已經超過半個多世紀，但對於他們在生物地理學分布的差異研究並不多見。其主要原因是，在宏基因測序技術大量採用之前，要進行大規模、全球規模的微生物物種分布調查並不現實。因此，該研究為進一步研究細菌和古菌在生態適應方面的差異具有重要意義。同時，該研究所建立的一系列數學模型本質上勾畫出了溫泉微生物多樣性分布最重要的特徵「地圖」（Biogeographic maps）。

該研究採用的「多樣性—面積」DAR模型來自於昆明動物所研究員馬占山近年來對於經典「物種—面積關係」（SAR：Species Area Relationship）的一系列擴展。SAR模型有上百年歷史，被廣泛認為是生物地理學和保護生物學最重要的理論模型之一。馬占山採用以Renyi熵為基礎推導出來的「希爾數」（Hill Numbers）作為通用的「多樣性指數」取代SAR模型中的「物種數」，從根本上解決了傳統SAR存在的一些缺陷。並根據冪法則所具備的尺度恆定理論（Scale-Invariance）推導出了另外三項重要參數：多樣性重疊參數（PDO: Pair-wise Diversity Overlap）、累計多樣性最大值（MAD: Maximal Accrual Diversity），以及「局部-地區（全球）」（LRD/LGD: Local to Regional/Global Diversity）比率參數。這些參數可以用來構建前文提到的生物多樣性分布的特徵地圖。

應用「多樣性—面積關係」DAR模型對溫泉中古菌和細菌數據分析，比較了古菌和細菌的空間分布模式，發現古菌總體比細菌總體的空間分布異質性更高，而古菌的主要物種分布空間異質性比細菌主要物種低。多樣性重疊參數（PDO）顯示高階多樣性在區域之間的重疊度更高，即高階多樣性的空間異質性更低。通過累計多樣性最大值（MAD）估計出溫泉中古菌近8400種，細菌多達55000多種，是古菌的6倍。LGD揭示，平均水平上，單一溫泉所含有的古菌僅佔全球範圍所有溫泉中所含古菌的1.25%，細菌約佔全球範圍的1.52%，這也是環境微生物空間分布高度異質性的佐證。這些關於溫泉微生物多樣性分布特徵的參數都是首次揭示。

該研究成果以Global Microbiome Diversity Scaling in Hot Springs With DAR (Diversity-Area Relationship) Profiles為題，發表在Frontiers in Microbiology上，李連偉為文章的第一作者，馬占山為文章的通訊作者。

來源：中國科學院昆明動物研究所

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