Prediction and control of multi-species systems: 10000-microbiome experiments

多物种系统的预测和控制：10000 个微生物组实验

基本信息

批准号：
20K20586
负责人：
東樹宏和
金额：
$ 16.56万
依托单位：
Kyoto University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Challenging Research (Pioneering)
财政年份：
2020
资助国家：
日本
起止时间：
2020-07-30 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

DNAメタバーコーディングによって得られた数千にのぼる生物群集サンプルの情報に基づき、その時系列動態の解明を行った。特に、人腸内細菌叢の時系列動態等において、「dysbiosis」と呼ばれているような、急激な群集構造（および生態系機能）の変化が起こる現象に着目し、その予兆を捉えることができるか、詳細な分析を行った。急激な群集構造の変化は、２通りの理論的枠組で捉えることができる。１つ目は、代替安定状態間のシフトである。変化前と変化後の群集構造が、それぞれ異なる平衡点（次元0のアトラクター）近傍にあるとすると、その平衡点間のシフト、という形でdysbiosisを捉えることができる。2つ目の捉え方は、複雑な形状のアトラクター上（非整数の次元をもつアトラクター）の動態という捉え方である。従来の群集生態学においては、前者は、代替安定状態（alternative stable states）という概念を中心に発展し、後者はカオス時系列動態として理論的に発展してきた。しかし、種多様な生物群集の時系列データ自体がこれまでほとんど存在してこなかったため、この２つの捉え方を整理して実証研究と理論研究をフィードバックさせるような取り組みは例がなかった。本研究プロジェクトにおいて得られた大規模生物群集時系列データによって、この２つの理論的枠組の間で整理を行うことが可能となった。複雑微生物群集の時系列動態を理論的に整理した上で、膨大な実証データでその枠組を検証した論文が、微生物学のトップジャーナルの１つであるMicrobiome誌に掲載された。

基于DNA元条形码获得的数千个生物群落样本信息，我们阐明了生物群落样本的时间序列动态。我们特别关注“生态失调”等现象，即人类肠道菌群的时间序列动态中群落结构（和生态系统功能）发生快速变化，并试图检测这种变化的迹象。详细分析看看是否可行。人群结构的快速变化可以使用两个理论框架来理解。第一个是替代稳定状态之间的转变。如果变化前后的群落结构位于不同的平衡点（0维吸引子）附近，则生态失调可以理解为平衡点之间的移动。第二种看待它的方式是，它是具有复杂形状的吸引子（具有非整数维度的吸引子）的动力学。在传统的群落生态学中，前者是围绕替代稳定状态的概念发展起来的，后者在理论上被发展为混沌时间序列动力学。然而，由于关于不同生物群落的时间序列数据很少，因此没有努力组织这两种理解方式并反馈经验和理论研究。该研究项目获得的大规模生物群落时间序列数据使得在这两种理论框架之间进行组织成为可能。一篇从理论上组织复杂微生物群落的时间序列动态，然后使用大量经验数据验证该框架的论文已发表在微生物学顶级期刊之一的Microbiome上。