研究揭示溫泉菌群空間分布的特徵參數

生物分布的空間異質性是生態學研究的核心問題之一；對於似乎無處不在的細菌來講，這一問題的研究難度似乎更大。近日，中國科學院昆明動物研究所計算生物與醫學生態學實驗室博士生李連偉發表在Molecular Ecology上的論文揭示了溫泉菌群分布的重要特徵參數。這是作者繼年初在Frontiers in Microbiology上發文試圖估計全球溫泉細菌種類理論最大值後，所獲得的另一項關於溫泉菌群生態的重要參數。兩項研究均基於Sharpe(2014)等所收集的全球160多組溫泉菌群宏基因測序數據。

該研究最重要的發現是，菌群空間分布異質性隨群落中平均物種大小變化的關係符合冪法則模型，而該冪法則模型的關鍵參數（b)是一常數，並不受溫泉環境因子（例如溫度、pH）的影響。因此，利用這一常數，就可以估計某一溫泉中菌群分布空間異質性的高低。論文中，作者以地球上重力加速度常數（g=9.8)做類比，闡述了所發現參數的理論和實際意義。如果重力加速度不是常數，則一個人在地球上不同地方體重可能會差別很大。而地球和月球具有不同重力加速度，才有了超重或失重現象。為此，作者對溫泉菌群和人類菌群作了嚴格統計學檢驗，發現兩者確實具有不同的異質性參數。而溫泉菌群，無論其溫泉溫度或pH差別多大，其異質性參數基本恆定。這一發現受到審稿人義大利Catania大學生態學系主任Christian Mulder的高度評價。

該研究所採用的理論模型來自昆明動物所研究員馬占山於2015年對Taylor 冪法則模型的四項擴展。Taylor 冪法則由英國生態學家LR Taylor於1961年發表在Nature上， 其後幾十年中生態學家進行了大量理論研究和野外種群生態學調查驗證，成為研究生物種群空間分布最重要的理論方法之一，其應用範圍從最早昆蟲種群空間分布研究擴展到其它動植物、寄生蟲、植物病蟲害分布，乃至超出生物學領域的研究（例如地震分布、Linux 操作系統內核結構、集成電路分析等）。馬占山先前所做的擴展則是將Taylor冪法則從種群水平擴展到群落水平的研究，特別是「群落空間分布異質性」和「群落（時間）動態穩定性」的分析。例如有學者將其應用於皮膚菌群動態穩定性的研究（Oh et al. 2016,Cell)。

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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