Sử dụng phân tích mạng để khám phá các mẫu đồng tồn tại trong cộng đồng vi sinh vật trong đất
Tóm tắt
Khám phá các tập dữ liệu môi trường lớn được tạo ra bởi các công nghệ giải trình tự DNA nhanh đòi hỏi những phương pháp phân tích mới để vượt ra ngoài các mô tả cơ bản về thành phần và đa dạng của các cộng đồng vi sinh vật tự nhiên. Để điều tra các tương tác tiềm năng giữa các taxa vi sinh vật, phân tích mạng của các mẫu đồng tồn tại của taxa có ý nghĩa có thể giúp làm sáng tỏ cấu trúc của các cộng đồng vi sinh vật phức tạp qua các gradient không gian hoặc thời gian. Ở đây, chúng tôi đã tính toán các mối liên kết giữa các taxa vi sinh vật và áp dụng các phương pháp phân tích mạng cho một tập dữ liệu giải trình tự pyrosequencing theo mã vạch gene 16S rRNA chứa hơn 160,000 chuỗi vi khuẩn và archae từ 151 mẫu đất thuộc một loạt các loại hệ sinh thái. Chúng tôi đã mô tả hình thái của mạng lưới kết quả và định nghĩa các loại đơn vị phân loại hoạt động dựa trên sự phong phú và sự chiếm đóng (tức là, những chuyên gia chung về môi trường và những chuyên gia đặc thù về môi trường). Các mẫu đồng tồn tại đã được tiết lộ dễ dàng, bao gồm sự liên kết không ngẫu nhiên tổng quát, các chiến lược lịch sử sống phổ biến ở các cấp thuế học rộng và các mối quan hệ bất ngờ giữa các thành viên của cộng đồng. Tổng thể, chúng tôi đã chứng minh tiềm năng của việc khám phá các tương quan giữa các taxa để có được một hiểu biết toàn diện hơn về cấu trúc của cộng đồng vi sinh vật và các quy tắc sinh thái hướng dẫn sự hình thành cộng đồng.
Từ khóa
Tài liệu tham khảo
Auguet, 2010, Global ecological patterns in uncultured Archaea, ISME J, 4, 182, 10.1038/ismej.2009.109
Barberán, 2010, Global phylogenetic community structure and beta-diversity patterns of surface bacterioplankton metacommunities, Aquat Microb Ecol, 59, 1, 10.3354/ame01389
Barberán, 2011, Euxinic freshwater hypolimnia promote bacterial endemicity in continental areas, Microb Ecol, 61, 465, 10.1007/s00248-010-9775-6
Bastian, 2009, Gephi: An Open Source Software For Exploring and Manipulating Networks
Bates, 2010, Examining the global distribution of dominant archaeal populations in soil, ISME J, 5, 908, 10.1038/ismej.2010.171
Bergmann, 2011, The under-recognized dominance of Verrucomicrobia in soil bacterial communities, Soil Biol Biochem, 43, 1450, 10.1016/j.soilbio.2011.03.012
Caporaso, 2010, QIIME allows analysis of high-throughput community sequencing data, Nat Methods, 7, 335, 10.1038/nmeth.f.303
Chaffron, 2010, A global network of coexisting microbes from environmental and whole-genome sequence data, Genome Res, 20, 947, 10.1101/gr.104521.109
Costello, 2009, Bacterial community variation in human body habitats across space and time, Science, 326, 1694, 10.1126/science.1177486
Csárdi, 2006, The igraph software package for complex network research, InterJ Complex Syst, 1695, 2006
Curtis, 2002, Estimating prokaryotic diversity and its limits, Proc Natl Acad Sci USA, 99, 10494, 10.1073/pnas.142680199
Edgar, 2010, Search and clustering orders of magnitude faster than BLAST, Bioinformatics, 26, 2460, 10.1093/bioinformatics/btq461
Fierer, 2006, The diversity and biogeography of soil bacterial communities, Proc Natl Acad Sci USA, 103, 626, 10.1073/pnas.0507535103
Fierer, 2007, Metagenomic and small-subunit rrna analyses reveal the genetic diversity of bacteria, archaea, fungi, and viruses in soil, Appl Environ Microbiol, 73, 7059, 10.1128/AEM.00358-07
Fierer, 2008, The influence of sex, handedness, and washing on the diversity of hand surface bacteria, Proc Natl Acad Sci USA, 105, 17994, 10.1073/pnas.0807920105
Freilich, 2010, The large-scale organization of the bacterial network of ecological co-occurrence interactions, Nucleic Acids Res, 38, 3857, 10.1093/nar/gkq118
Fuhrman, 2008, Community structure of marine bacterioplankton: patterns, networks, and relationships to function, Aquati Microb Ecol, 53, 69, 10.3354/ame01222
Galand, 2009, Unique archaeal assemblages in the arctic ocean unveiled by massively parallel tag sequencing, ISME J, 3, 860, 10.1038/ismej.2009.23
Guimera, 2005, Functional cartography of complex metabolic networks, Nature, 433, 895, 10.1038/nature03288
Guo, 2000, Abundance and distribution of desert annuals: are spatial and temporal patterns related?, J Ecol, 88, 551, 10.1046/j.1365-2745.2000.00466.x
Holmes, 1995, Evidence that particulate methane monooxygenase and ammonia monooxygenase may be evolutionarily related, FEMS Microbio Lett, 132, 203, 10.1111/j.1574-6968.1995.tb07834.x
Horner-Devine, 2007, A comparison of taxon co-occurrence patterns for macro- and microorganisms, Ecology, 88, 1345, 10.1890/06-0286
Hughes, 2001, Counting the uncountable: statistical approaches to estimating microbial diversity, Appl Environ Microbiol, 67, 4399, 10.1128/AEM.67.10.4399-4406.2001
Janssen, 2006, Identifying the dominant soil bacterial taxa in libraries of 16S rRNA and 16S rRNA genes, Appl Environ Microbiol, 72, 1719, 10.1128/AEM.72.3.1719-1728.2006
Jones, 2009, A comprehensive survey of soil acidobacterial diversity using pyrosequencing and clone library analyses, ISME J, 3, 442, 10.1038/ismej.2008.127
Konstantinidis, 2007, Prokaryotic taxonomy and phylogeny in the genomic era: advancements and challenges ahead, Curr Opin Microbiol, 10, 504, 10.1016/j.mib.2007.08.006
Lauber, 2009, Pyrosequencing-based assessment of soil ph as a predictor of soil bacterial community structure at the continental scale, Appl Environ Microbiol, 75, 5111, 10.1128/AEM.00335-09
Leininger, 2006, Archaea predominate among ammonia-oxidizing prokaryotes in soils, Nature, 442, 806, 10.1038/nature04983
Lozupone, 2007, Global patterns in bacterial diversity, Proc Natl Acad Sci USA, 104, 11436, 10.1073/pnas.0611525104
Magurran, 2003, Explaining the excess of rare species in natural species abundance distributions, Nature, 422, 714, 10.1038/nature01547
McCaig, 2001, Numerical analysis of grassland bacterial community structure under different land management regimens by using 16S ribosomal DNA sequence data and denaturing gradient gel electrophoresis banding patterns, Appl Environ Microbiol, 67, 4554, 10.1128/AEM.67.10.4554-4559.2001
Moody, 2001, Race, school integration, and friendship segregation in America, Am J Sociol, 107, 679, 10.1086/338954
Newman, 2003, The structure and function of complex networks, SIAM Rev, 45, 167, 10.1137/S003614450342480
Newman, 2006, Modularity and community structure in networks, Proc Natl Acad Sci USA, 103, 8577, 10.1073/pnas.0601602103
Oksanen, 2007, Vegan: community ecology package, R package version, 1, 8
Pace, 1997, A molecular view of microbial diversity and the biosphere, Science, 276, 734, 10.1126/science.276.5313.734
Pandit, 2009, Contrasts between habitat generalists and specialists: an empirical extension to the basic metacommunity framework, Ecology, 90, 2253, 10.1890/08-0851.1
Pastor-Satorras, 2001, Epidemic spreading in scale-free networks, Phys Rev Lett, 86, 3200, 10.1103/PhysRevLett.86.3200
Philippot, 2010, The ecological coherence of high bacterial taxonomic ranks, Nat Rev Microbiol, 8, 523, 10.1038/nrmicro2367
Prosser, 2007, The role of ecological theory in microbial ecology, Nat Rev Microbiol, 5, 384, 10.1038/nrmicro1643
Proulx, 2005, Network thinking in ecology and evolution, Trends Ecol Evol, 20, 345, 10.1016/j.tree.2005.04.004
Roesch, 2007, Pyrosequencing enumerates and contrasts soil microbial diversity, ISME J, 1, 283, 10.1038/ismej.2007.53
Ruan, 2006, Local similarity analysis reveals unique associations among marine bacterioplankton species and environmental factors, Bioinformatics, 22, 2532, 10.1093/bioinformatics/btl417
Sogin, 2006, Microbial diversity in the deep sea and the underexplored ‘rare biosphere’, Proc Natl Acad Sci USA, 103, 12115, 10.1073/pnas.0605127103
Stone, 1990, The checkerboard score and species distributions, Oecologia, 85, 74, 10.1007/BF00317345
Torsvik, 1990, High diversity in DNA of soil bacteria, Appl Environ Microbiol, 56, 782, 10.1128/aem.56.3.782-787.1990
van der Gast, 2011, Partitioning core and satellite taxa from within cystic fibrosis lung bacterial communities, ISME J, 5, 780, 10.1038/ismej.2010.175
Wang, 2007, Naive Bayesian classifier for rapid assignment of rRNA sequences into the new bacterial taxonomy, Appl Environ Microbiol, 73, 5261, 10.1128/AEM.00062-07