浙大團隊繪制土壤基因組基因相關性網絡解碼土壤“黑箱”

　　土壤微生物是元素生物地球化學循環過程及其他土壤生態過程的關鍵驅動因子。由于土壤結構和組成的復雜性，土壤微生物生態過程在研究中一直以來都被作為“黑箱”看待，要清楚闡明土壤生態功能是土壤生態學研究當前面臨的一個重大挑戰。

　　近日，浙江大學環境與資源學院徐建明教授團隊在微生物學頂級期刊《國際微生物生態學會會刊》（The ISME Journal）上發表最新成果，他們基于土壤宏基因組信息繪制森林土壤宏基因組的基因相關性網絡，揭示了宏基因組的功能結構，為預測宏基因組中基因未知功能提供了新途徑。

　　這項研究的第一作者為浙江大學“百人計劃”研究院馬斌博士，參與作者包括浙江大學“外專千人計劃”入選者Philip Brookes教授，論文通訊作者為徐建明教授。該論文的國際合作者包括美國芝加哥大學Jack Gilbert教授和比利時魯汶大學Karoline Faust博士。

　　從系統生物學得到靈感，用宏基因組技術打開“黑箱”

　　“黑箱”系統，顧名思義就是把某個系統作為一個看不透的黑色箱子，研究中不涉及系統內部的結構和相互關系。很長一段時間，科學家們對土壤微生物生態功能的作用機制研究也是如此。

　　這個“黑箱”是這樣的——

　　每克土壤中平均有來自約10萬種微生物類群的約10億個微生物細胞，其中約有99%的土壤微生物類群尚未被培養，而大部分土壤微生物類群的基因組也尚未測序，也就是說它們的基本功能還不清楚。

　　那么如何能夠打開“黑箱”呢？徐建明教授團隊使用的利器是宏基因組技術——從環境樣品中提取宏基因組進行高通量測序分析，通過序列片段拼接和數據庫比對進行注釋。徐建明表示，近年來系統生物學領域的科學家對一些模式生物細胞進行全基因網絡分析，有很多推動了對細胞功能的認識。“我們團隊從中得到靈感，借用系統生物學方法來分析土壤宏基因中基因網絡，從而提升對土壤微生物群落功能的認識。”

　　用系統生物學的方法研究土壤宏基因組，剛開始只是一種研究設想。因為兩者的研究對象存在很大的區別：系統生物學中的基因來自單個細胞，而土壤微生物的研究的宏基因組中的基因來自大量不同的微生物細胞。但是研究結果表明，宏基因組的基因相關性網絡能夠準確表征土壤微生物群落生態過程中的基因互作關系。

　　繪制森林土壤宏基因相關性網絡

　　徐建明團隊在我國東部從南方熱帶季雨林到北方針葉林的典型植被梯度帶上采集了45個土壤樣品，基于高通量測序獲取宏基因并根據基于豐度矩陣構建相關性矩陣，從而得到基因相關性網絡。

　　這張網絡，其實是認識土壤微生物生態功能的“地圖”——

　　網絡包含5421個基因節點，7191個正相關網絡連接和123個負相關網絡連接。科研人員基于網絡拓撲結構將網絡節點劃分為27個基因聚落，各基因聚落中主要包含了與特定功能相關的基因，且各基因聚落的中心節點都能代表所在聚落的功能。

土壤宏基因組基因相關性網絡圖

　　科研人員發現，基因聚落之間的連接關系反映了土壤宏基因組中與細胞結構密切相關的多級結構特征，說明土壤微生物群落功能特征受到細胞水平基因功能過程的調控。網絡中的正相關連接主要指示了基因的功能關聯性，而負相關連接則指示了細胞生物過程中潛在的功能調控過程。

　　論文評閱人表示，該研究將系統生物學中網絡的概念應用于高度復雜的環境樣本是該領域發展的重要一步，贊賞了該研究中嚴格的網絡連接構建過程。

　　未知基因功能預測，為未來研究“掃盲”

　　宏基因組中仍然有很多基因的功能還是未知的，而基因相關性網絡中參與相同生態功能過程的基因會有緊密的網絡連接，因此，徐建明教授團隊就提出，可以利用功能未知基因在基因相關性網絡中的相鄰網絡節點來預測宏基因組中基因的未知功能。

　　要如何才能驗證預測的功能是否準確呢？系統生物學研究中，單個細胞內的驗證比較簡單，可以通過敲掉某個基因來做對照實驗。而土壤的群落研究中，科研人員不知道這個基因來自哪些細胞，因此無法“敲除”。怎么辦？為了驗證預測的基因功能，徐建明教授團隊通過基因序列計算得出蛋白結構，通過與蛋白結構數據庫比對，進而比對已經標注功能。結果發現通過基因相關性網絡預測的功能基因與通過蛋白結構預測的功能高度一致，驗證了通過基因相關性網絡預測的結果的準確性。受到一些研究的局限，馬斌表示，當前的預測還有一定的限制標準，那就是要在聚落中與一定數量的基因有連接，才高水準的預測。

　　對于功能預測的意義，徐建明表示，科學探索的道路上，第一步就是想知道“是什么”，他們的研究提供了一個注釋未知的路徑。通過預測增補數據庫，對后面研究者掃清了迷霧。歷經2年的研究，徐建明表示，團隊的這項解碼土壤“黑箱”的研究，對于明確土壤對碳氮的轉化、污染物的降解等機理有了進一步的了解，對認識土壤有深刻的意義。

　　該研究得到了國家自然科學基金創新研究群體項目（41721001）、國家自然科學基金國際合作重點項目（41520104001）等資助。