Testa den neutrala teorin om biologisk mångfald med mänskliga mikrobiomas datasätt | vetenskapliga rapporter

Testa den neutrala teorin om biologisk mångfald med mänskliga mikrobiomas datasätt | vetenskapliga rapporter

Anonim

ämnen

  • Gemenskapens ekologi
  • Databehandling

Abstrakt

Det humana mikrobiomprojektet (HMP) har gjort det möjligt att testa viktiga ekologiska teorier för att utan tvekan vara det viktigaste ekosystemet för människors hälsa - det mänskliga mikrobiomet. Befintliga begränsade antal studier har rapporterat motstridiga bevis i fallet med den neutrala teorin; den aktuella studien syftar till omfattande testning av den neutrala teorin med omfattande HMP-datauppsättningar som täcker alla fem huvudsakliga kroppsplatser bebodda av det mänskliga mikrobiomet. Genom att använda 7437 datamängder av bakteriella samhällsprover upptäckte vi att endast 49 samhällen (mindre än 1%) uppfyllde den neutrala teorin och drog slutsatsen att mänskliga mikrobiella samhällen inte är neutrala i allmänhet. De 49 positiva fallen, även om de bara är en liten minoritet, visar på att det finns neutrala processer. Vi inser att den traditionella läran om mikrobiell biogeografi " Allt finns överallt, men miljön väljer " som Baas-Becking först föreslog löser den uppenbara motsägelsen. Den första delen av Baas-Becking-doktrinen säger att mikrober inte är spridningsbegränsade och därför är neutrala benägna, och den andra delen upprepar att de fritt spridda mikroberna måste uthärda urval av miljön. Därför är det i de flesta fall värdmiljön som i slutändan formar samlingssamlingen och tippar det mänskliga mikrobiomet till nischregim.

Introduktion

Hubbells 1 neutrala teori presenterade en nollmodell för att testa mekanismerna för samexistens och underhåll av biologisk mångfald i ekologiska samhällen. Det erbjöd också en enkel mekanistisk förklaring av artens överflödesfördelningar (SAD), som har studerats omfattande inom samhällsekologi sedan 1940-talet, men fortfarande saknar en teoretisk konsensus för deras tolkningar 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 . Neutral teori står i kontrast till den traditionella nischteorin 9, 10, 11, 12, 13, 14 genom att anta att egenskaperna hos individer i ett samhälle är oberoende av deras artidentitet. Den traditionella nischteorin antar att individer av olika arter upptar olika nischer på grund av deras artsspecifika egenskaper och nischer har begränsade likheter. Enligt neutral teori byggs lokala samhällen av slumpmässiga dragningar från regioner pooler som drivs av stokastisk kolonisering, och de deterministiska konkurrensinteraktionerna är obetydliga för att utforma de lokala samhällets sammansättningar eftersom arter antas vara motsvarande 1, 15, 16 . Den neutrala teorin antar också att rikliga regionala arter har en högre koloniserings sannolikhet och följaktligen bör det relativa överflödet av varje art i ett lokalt samhälle spegla dess överflöd i det regionala samhället vid varje tidpunkt 1, 16 . Följaktligen bör neutrala processdrivna samhällen påverkas mindre av skillnaderna i miljöfaktorer och visa mindre direkt koppling mellan miljön och monteringsprocesserna 17 . Betydelsen av Stephen Hubbells neutrala teori om biologisk mångfald 2 är mångfacetterad, oavsett om nollmodellen passar ett specifikt samhälle eller inte. Till exempel, som visas i denna artikel, är den traditionella uppfattningen att " allt finns överallt , men miljön väljer " som ursprungligen föreslogs av Baas-Becking 18 en välkänd doktrin men som får tillfälliga utmaningar särskilt under de senaste åren, verkligen mycket vettigt från det neutrala teoriperspektivet.

Under det senaste decenniet har det gjorts omfattande tester av den neutrala teorin, mest med makrogemenskapsekologiska data 19, 20, 21, 22, 23 . McGill 21 granskade empiriska tester av neutral teori; många av testerna använde den neutrala teorimodellen som en nollmodell och använde en annan modell (ofta lognormal distributionsmodell) som den alternativa modellen. Men i många fall definierades den alternativa modellen löst, och följaktligen kunde avvisningen av neutral teori inte automatiskt bevisa att en viss alternativ nischbaserad modell har. Faktum är att metoden att använda förenklade antaganden, som inte krävs vara strikt noggrann, om komplexa system för att förbättra förståelsen och för att se vad som kan förklaras med de förenklade modellerna är en väl accepterad praxis inom många vetenskapsområden 24 . Därför är det primära värdet för den neutrala teorin inte huruvida den kan beskriva ett visst datasystem på ett adekvat sätt eller inte eftersom bristen i sig kan informera oss om att andra processer än de neutrala processerna som råder för att utforma strukturen i det samhälle som undersöks.

Den neutrala teorin utvecklades och testades främst i samband med ekologiska samhällen av växter och djur. Till skillnad från de många makroekologiska studierna finns det relativt få tillämpningar av neutral teori i mikrobiell ekologi 17, 18, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37 38 Bristen beror främst på verkligheten att majoriteten av mikrober inte är odlingsbara, och deras upptäckter var extremt svåra tills uppfinningen av den metagenomiska tekniken för nästan ett decennium sedan, vilket revolutionerade teknikerna för att studera mikrobiell samhällsekologi 39, 40, 41, 42, 43 När majoriteten av mikroberna inte kunde räknas, eller till och med upptäckas, skulle det vara mycket svårt om inte omöjligt att samla in tillräckliga data för att testa ekologisk teori, inklusive den neutrala teorin. Idag erbjuder den stora tillgången på metagenomisk teknik och det pågående Human Microbiome Project (HMP) oss en enastående möjlighet att tillämpa och testa stora ekologiska teorier för studier av mikrobiella samhällen 43 .

Begränsade tester av den neutrala teorin med mikrobiella samhällen har gett blandade resultat i den befintliga litteraturen. Tidigare studier i miljömikrobiologi var mestadels positiva, vilket stödde den neutrala teorin ( t.ex. ref. 26, 27, 28), men nyare studier, särskilt de studierna på mikrobiom på människa och djur, verkar vara blandade med mer negativa fall 17, 30, 32, 36, 44 än positiva fall 35, 37 . Sloan et al . 26 och Woodcock 37 var bland de första som utforskade rollerna för invandring och chanser vid utformningen av prokaryote samhällsstruktur. Woodcock 28 utförde den första omfattande testningen av den neutrala teorin inom mikrobiell ekologi och presenterade starka bevis för att neutrala samhällsmodeller anpassade till de mikrobiella samhällena i trädhål fyllda med regnvatten 28, 45 antog att omfattningen av regionala samhällen i mikrober kan vara annorlunda från makrosamhällen eftersom mikrobernas spridningsavstånd kan vara mer omfattande. I praktiken är det troligt att både nisch- och neutrala mekanismer är i kraft i mikrobiella samhällen 46, 47, 48, 49, 50, men nischeffekten är ofta vanligare än neutral effekt 46, 47 . Naturligtvis fanns också motsatta fall, dvs. neutral effekt är mer betydande ( t.ex. ref. 48).

Den potentiella betydelsen av neutral process för att forma den mänskliga mikrobiota har antagits i vissa perspektivgranskningar 43, 51, men en handfull existerande tester av den neutrala teorin med det mänskliga mikrobiomet (inklusive djurmikrobiom) ger endast motstridiga bevis. Jeraldo 47 testade rollen som neutral process i struktureringen av tarmmikrobiomet hos tre tämjade ryggradsdjur, och de drog slutsatsen att även om artens överflödsmönster verkade vara väl passande av den neutrala teorin, kunde teorin inte förklara de evolutionära mönstren i genomiska data ( dvs. fylogenetisk mångfald). Dessutom stödde deras analyser starkt den icke-neutrala (nisch) rollen vid utformningen av djurens mikrobiom. Avershina et al . 31, genom en studie av fecal mikrobiota med 16S rRNA-sekvenseringsteknik från en frisk kohort av 86 mödrar och deras barn, observerade en tydlig åldersrelaterad koloniseringsmönsterförskjutning hos barn och föreslog att neutrala processer är involverade i att forma tarmmikrobiota. Däremot var det inte någon liknande förändring i mikrobiell sammansättning under mammas graviditet. Detta konstaterande överensstämmer inte med tidigare nämnda resultat från Jeraldo 47- studien om tarmmikrobiomet hos tre tämjade ryggradsdjur. Avershina et al . 31 föreslog att inkonsekvensen kunde förenas av att nischval skulle begränsa filotyperna som är tillåtna i en viss miljö (tarmen), medan bland de tillåtna filotyperna kan neutral process vara i kraft. Levy & Borenstein 32 demonstrerade de icke-neutrala monteringsprocesserna och komplexa förekomstmönstren i det mänskliga tarmmikrobiomet. Guan & Ma 44 testade neutraliteten hos mjölkmjölkmikrobiom, och testresultaten var negativa. Schmidt et al . 17 fann att deterministiska processer tycks styra sammansättningen av fiskmikrobiom, och stokastisk kolonisering förekommer inte i deras system. I ovanstående fyra fallstudier 17, 32, 44, 47 misslyckades de mikrobiomas datasätten med människor eller djur att stödja den neutrala teorin.

Förutom ovan nämnda tarmmikrobiomstudie av Avershina et al . 31, följande två fallstudier presenterade också stödjande bevis för den neutrala teorin. Morris et al . 35 tillämpade den neutrala teorin för att testa huruvida spridning från munnen (källsamhället) på lämpligt sätt kan beskriva den observerade mikrobiella fördelningen i lungan. De försökte också identifiera mikrobiella grupper som signifikant avviker från neutrala samhällsmönster, och de antog att dessa mikrober kan vara fördelaktiga i lungmiljön. De upptäckte att lungbakteriepopulationer liknade de i orofarynxen, men lungan har vissa distinkta bakteriepopulationer, inte från kontaminering eller spridning från munnen. Icke desto mindre är funktionerna hos dessa lungbhabitatspecifika bakterier såväl som naturen av immunsvaret mot dem öppna för ytterligare forskning. Venkataraman et al . 37 använde vidare den neutrala teorimodellen för att särskilja mikroberna som sprider sig till lungorna från andra kroppsplatser och atmosfär från de mikrober som är infödda till lungorna, under antagande att den tidigare ("neutralt distribuerade" arten, dvs. , överensstämmer med spridning och ekologisk drift) kan förutsägas med en neutral modell och följaktligen kan den senare förutsägas från skillnaden mellan den faktiska närvaron och den förra. De föreslår också att de icke-infödda mikrobiella arterna bör ha en konkurrensfördel för de inhemska lungmikroberna. Deras studie avslöjar att den friska lungans sammansättning av bakteriesamhället kan förutsägas på ett tillfredsställande sätt med den neutrala modellen, vilket återspeglar den övervägande rollen för spridning av mikrober från munhålan vid utformningen av mikrobiellt samhälle i friska lungor. Däremot är det inte fallet med mikrobiomet i sjuka lungor där aktivt selektering pågår. Därför är den bakteriella neutrala fördelningen ett utmärkande kännetecken för mikrobiomet i friska lungor. Men bakteriepopulationer i sjuka lungor verkar vara under aktivt urval. Förmågan att mäta den relativa betydelsen av selektion och neutrala processer inklusive spridning vid utformning och upprätthållande av det friska lungmikrobiella samhället är ett kritiskt framsteg för att förstå dess inflytande på värdhälsa 37 . Ding & Schloss 52 demonstrerade att det är möjligt att skilja olika samhällstyper trots betydande variationer inom ämnet och mellan ämnen i det mänskliga mikrobiomet, vilket har viktiga konsekvenser för att bedöma sjukdomsrisker förknippade med vissa samhällstyper. Om neutral teori kan användas för att skilja sunda och sjuka mikrobiella samhällen, såsom demonstreras av Venkataraman et al . 37, är dess praktiska biomedicinska betydelse självklar.

På senare tid har framsteg gjorts även i den teoretiska utforskningen av den neutrala processen i mikrobiella samhällen. Holmes et al . 30 och Harris et al . 36 omformulerad Hubbell 2 neutral teorimodell som en hierarkisk Dirichlet multinomial blandningsprocess för att simulera det mänskliga tarmmikrobiomet. De drog slutsatsen att funktionella nischer huvudsakligen bestämmer det mänskliga tarmmikrobiomet, och neutral montering kan bara spela en delvis roll för att utforma den mikrobiella mångfalden i tarmarna - som arbetar inom de arter som upptar en specifik funktionsnisch ( dvs. de arter som spelar samma metabolism roll). De betecknade dessa fall som "gränsöverskridande" neutrala mönster. De upptäckte också en negativ korrelation mellan kroppsmassaindex (BMI) och invandringsgraden inom familjen Ruminococcaceae 36, vilket erbjuder en ny ny tolkning av förhållandet mellan fetma och tarmmikrobiom. Harris et al . 36 avslöjade inte bara dessa viktiga insikter om tarmmikrobiom utan utvecklade också en allmän beräkningsprocedur för att effektivt anpassa multisitala neutrala teorimodeller. Vi kommer att diskutera ytterligare detta viktiga metodologiska framsteg i diskussionsavsnittet.

O'Dwyer et al . 33, 34 testade den neutrala teorin ur filogenetisk mångfaldsperspektiv, snarare än traditionellt artdiversitetsperspektiv, med mänskliga mikrobioddata. Intressant nog fann de en tydlig inverkan av metacommunitystorlek (skala) på den fylogenetiska mångfalden i kroppsmiljöer i förhållande till nollhypotesen. De fann också att hela mikrobiomdiversiteten för ett visst ämne vanligtvis är mycket lägre än ett slumpmässigt prov från metacommunity, vilket kompliceras av ett brett spektrum av olika beteenden för de olika livsmiljöerna inom det ämnet. Sammantaget drog de slutsatsen att det finns betydande variationer i mångfalden mellan livsmiljöer relativt förutsägelsen från den neutrala teorin. Zeng et al . 38 utvecklade en agentbaserad arkitektur som inkapslade den neutrala modellen för gemenskapsdiversitet med extra dimensioner av en evolutionär tidsskala och en släktforskning över värdar. Detta är i huvudsak ett simuleringssystem som kan användas för att testa olika antaganden om samhällsmontering inklusive antaganden om neutrala teorier och dess fördelar inkluderar övervägandet av effekterna av föräldrabidrag på samlingsprocessen i gemenskapen samt hur processen fungerar under evolutionär tid.

Syftet med denna studie är tvåfaldigt: För det första genomför vi en omfattande testning, med omfattande HMP-datauppsättningar som täcker alla fem huvudsakliga kroppsställen (tarm, oral, hud, vaginal och nasal) av det mänskliga mikrobiomet, inklusive 7437 samhällen från 18 platser för 242 individer och med rigorösa statistiska simuleringstester för att besvara frågan - är samhällsförsamlingen i det mänskliga mikrobiomet neutralt? För det andra diskuterar vi konsekvenserna av den neutrala teorin för att förstå den mänskliga mikrobiomdiversiteten och utforska de underliggande mekanismerna om data inte stöder den neutrala teorin.

Material och metoder

16-talets rRNA-sekvensdatasätt av humant mikrobiom

Datasätten som vi använder för att testa den neutrala teorin erhölls från HMP-datacenter (www.hmpdacc.org). Specifikt valde vi 16-talets rRNA-sekvensdatasatser av 18 platser med 5 platser som samlades in från 242 försökspersoner 42 (benämnd 240-friska individer HMP-datauppsättningar, nedan). Dessa kroppsplatser och platser är: luftvägar (främre nerver), tarm (avföring), oral (bifogat keratiniserat gingival, buccal slemhinna, hård smak, palatin mandlar, saliv, subgingival plack, supragingival plack, hals, tungdorsum), hud (vänster) antecubital fossa, vänster retroauricular veck, höger antecubital fossa, höger retroauricular veck) och urogenital (mid vagina, posterior fornix, vaginal introitus). Vi använde datasätten för både V1-V3-regionen och V3-V5-regionen i våra analyser, och totalt samlades 7437 samplingsprover (V1-V3, 2855 prover; V3-V5, 4582 prover, respektive) och två samlingar av OTU-tabeller (motsvarande V1-V3 respektive V3-V5-regioner) erhölls från 16s-rRNA-mothur-mjukvaruledningen. Varje prov motsvarar en rad i OTU-tabellerna och används för att passa den neutrala teorimodellen. OTU-tabellerna beräknades med en avgränsning av 3% olikhet baserad på RDP-databasen och de är tillgängliga för nedladdning på www.hmpdacc.org. Dessa OTU-tabeller innehåller artsöverskott (OTU-läsningar) inom varje samhällsprov.

Beräkningsförfarandena

De väsentliga aspekterna av den neutrala teorin kan sammanfattas som: ( i ) det förutsätter att interagerande arter är ekvivalenta på en individuell "per capita" -basis, ( ii ) det är en individbaserad stokastisk dynamisk teori, ( iii ) det är en samplingsteori, och slutligen ( iv ) är det en spridningssammansättningsteori 53 . Teorin avslöjar betydelsen av spridningsbegränsning, specifikation och ekologisk drift i samhällets montering och underhåll. Som en nollmodell erbjuder det oss en apparat för att utvärdera rollen för anpassning och naturligt urval i samband med den evolutionära samhällsekologin 54 . Den klassiska neutrala teorimodellen beskriver ett lokalsamhälle som innehåller J- individer. En av dessa individer, valt slumpmässigt, dör och ersätts vid varje steg. Ersättningen kan vara antingen ett avkomma till en annan slumpmässigt vald individ från det lokala samhället, som inträffar med sannolikhet 1-m , eller ett avkomma till en slumpmässigt vald individ från metacommunity, med sannolikhet m . Parametern m betraktas som ett mått på spridningsbegränsning . Ett problem med m är att det inte översätts till spridningsbegränsning på det mest logiska sättet; till exempel kan ett litet lokalsamhälle involvera ett mycket mindre flöde av invandrare för samma värde som m . Av denna anledning används ofta en alternativ parameter I istället för m 55 .

Vi använder två provtagningsformler för att testa den neutrala teorin: en föreslogs av Ewens 56, och en annan av Etienne 57 som också inspirerades av Ewens-formeln. Båda är exakta sannolikheter för olika scenarier, och Etienne är för den mest kända modellen av Hubbells 2 neutrala teori. Etienne formel lägger till spridningsbegränsning till Ewens formel, och vi kan dra slutsatsen att spridningsbegränsning spelar en betydande roll i neutral gemenskapssamling om Etienne formel fungerar bättre än Ewens formel. I litteraturen visade jämförelserna mellan Ewens och Etienne och provtagningsformler att den senare överträffade den förstnämnda när spridningsbegränsningen spelar en viktig roll i samlingssamlingen 57 .

Vi kommer först att jämföra log-sannolikheterna beräknade med Ewens-formeln och Etienne-formeln för att bestämma vilken av dem som är bäst lämpade för de mänskliga mikrobiodatatuppsättningarna. Vi jämför sedan log-sannolikheterna för den observerade gemenskapen (provet) och neutralt teoretiska samhället för att testa huruvida den neutrala teorimodellen passar till den observerade gemenskapen, baserat på antingen Ewens 56 eller Etienne 57, beroende på vad som presterade bättre i den tidigare beskrivna första steget. Dessutom hoppas vi också att den möjliga skillnaden mellan Ewens 56 eller Etienne 57 och log-sannolikheter kommer att belysa effekten av spridningsbegränsningen.

Ewens provtagningsformel föreslogs för att beskriva sannolikhetsfördelningen av alleler i gener i samband med molekylär neutral utveckling 56, 58, 59, 60 . Hubbell 2 använde den för att beräkna sannolikheten för ett givet ekologiskt samhälle för att uppfylla förutsägelsen för den neutrala teorin:

där, J är det totala antalet individer i samhället, S är det totala antalet arter, θ är biologisk mångfaldsparameter för provtagningsformeln, n i är överflödet av arter i , φ a är antalet arter med överflöd a . Hubbell 2 hade insett den viktiga rollen för spridningsbegränsning men provtagningsformeln som han ursprungligen använde, dvs. Ewens-formeln, ansåg inte effekten av spridningsbegränsningen ( dvs. invandringsgraden m = 1).

Etienne 57 föreslog en ny provtagningsformel med spridningsbegränsning ( m <1),

Den erhållna provtagningsformeln Etienne 57 är

där K ( D , A ) definieras som

Etienne 57 jämförde de två provtagningsformlerna med hjälp av Barro Colorado (BCI) träddatat 61 och Caño Maraca (CM) fiskdatat 62, och resultaten visade att Etienne-samplingsformel ledde till en betydligt bättre anpassning till datasätten än Ewens provtagningsformel gjorde. Här jämför vi de två formlerna med HMP-datauppsättningar för att upptäcka den potentiella effekten av spridningsbegränsning. Följande test för log-likelihood ratio används för att jämföra resultaten från båda formlerna:

där L 0 är nollmodellen och L1 är den alternativa modellen, D är avvikelsen som är dubbelt så stor skillnad mellan log-sannolikheten för de två formlerna. Beräkningen av p- värdet följer en X2-fördelning med graden av frihet som en.

Metoden vi använder för att testa gemenskapens neutralitet är Etiennees 63 " Exakt neutraltest ." Det exakta neutraltestet är baserat på den sekventiella konstruktionsmetoden, och en uppenbar fördel med denna metod är att ingen alternativ modell behövs i metoden. Testet utförs på följande sätt: För det första används maximal sannolikhetsuppskattning (MLE) för att uppskatta modellparametrarna från de observerade data. För det andra kan uppsättningen av modellparametrar [ θ , I] uppskattas med MLE och parameter ( J , det totala antalet individer i samhället) användas för att generera valfritt antal konstgjorda datauppsättningar ( D ). I vårt fall av HMP-data genereras 100 konstgjorda datauppsättningar för varje samhällsprov. För det tredje använder vi Etienne's formel för att beräkna sannolikheten för konstgjorda datauppsättningar och jämföra den genomsnittliga sannolikheten för konstgjord data med den för de observerade data.

Provtagningsformeln [(1) eller (3)] ger sannolikheten ( PS ) för varje datasats i D (| D | = 100 i vårt fall) som uppfyller den neutrala modellen. Provtagningsformeln ger också sannolikheten P0 för verkligt observerat datasätt som uppfyller den neutrala modellen. Om sannolikheten beräknad från det verkliga datasättet är betydligt mindre än genomsnittet beräknat från de konstgjorda datasätten, är det osannolikt att det observerade communitymönstret strukturerades av den neutrala processen. Om sannolikheten från observerad gemenskap är nära värdena som beräknas från de konstgjorda datauppsättningarna, är den observerade artreduktionsfördelningen (SAD) överensstämmande med neutralitet, och vi drar slutsatsen att neutraliteten i gemenskapen under testning inte kan avvisas.

Resultat och diskussion

I det följande rapporterar vi våra resultat i två delar, motsvarande ( i ) jämförelsen av Ewens- och Etienne-samplingsformler, som bestämmer vilken formel som ska användas för att testa gemenskapens neutralitet i nästa steg; ( ii ) jämförelse av log-sannolikheten för teoretiska och observerade samhällen för att avgöra om ett observerat samhälle är neutralt eller inte.

Jämförelse av provtagningsformler för Ewens och Etienne

För varje humant mikrobiellt samhällsprov beräknar vi den grundläggande biologiska mångfaldsparametern ( θ ), invandringssannolikheten ( m ) och sannolikheten för att se datasättet med de här parametervärdena med Ewens- och Etienne-samplingsformler. För varje samhällsprov användes 16-talets rRNA-sekvensdata för både V1-V3 och V3-V5-variabla regioner separat för att testa den neutrala teorin. Tabellerna 1 och 2 är de sammanfattande resultaten av jämförelserna mellan Ewens- och Etienne-provtagningsformler för region V1-V3 respektive V3-V5. Detaljerade jämförande resultat av de två formlerna tillhandahålls som kompletterande tabeller S1 och S2, i vilka parametrar och statistik såsom biologisk mångfaldsparameter ( θ ), invandringssannolikheten ( m ), log-sannolikhet och sannolikhetsförhållande tillhandahålls för att visa lämpligheten av båda formlerna.

Full storlek bord

Full storlek bord

I tabellerna 1 och 1 listar den första kolumnen de fem samplingsplatserna, och den andra kolumnen visar de 18 platserna som är fördelade över de fem samplingsplatserna. Kolumn 3 är det totala antalet samhällen för varje webbplats. Kolumn 4 är antalet samhällen för vilka både Ewens- och Etienne-formlerna inte gjorde någon signifikant skillnad (NSD). Resultaten från tabellerna 1 och 1 visar att i både V1-V3 och V3-V5-regioner finns det små skillnader mellan Ewens och Etienne-samplingsformler i termer av log-sannolikheten ( p > 0, 05). Procentandelen av NSD-gemenskaper i båda tabellerna 1 och 1 är nära 100%, dvs. båda formlerna gjorde inga skillnader i nästan alla mänskliga mikrobiella samhällen som vi testade.

Etienne's exakta test

Hundra (100) konstgjorda samhällen genererades för att simulera det teoretiska neutrala samhället som motsvarar varje observerat humant mikrobiellt samhälle. Som nämnts tidigare har vi 2855 samhällen representerade av V1-V3-data och 4582 samhällen representerade av V3-V5-data. Parametrarna ( m , θ , J , S ) för de neutrala teorimodellerna för de mänskliga mikrobiella gemenskaperna som har klarat sannolikhetsförhållandestestet listas i tabellerna 3 och 3 för V1-V3 respektive V3-V5. Det noteras att Etienne-formeln 63 användes för att beräkna resultaten i både tabellerna 3 och 3. I själva verket kan Ewens-formeln användas antingen eftersom båda formlerna inte gjorde någon skillnad.

Full storlek bord

Full storlek bord

Tabell 3 visar parametrarna för 26 humana mikrobiella samhällen, baserade på V1-V3-regiondata, som har klarat det exakta testet för neutralitet, och resultaten från de andra 2828 gemenskaperna som inte lyckades klara de exakta testerna för neutralitet, utelämnades i tabell 3 ( men tillhandahålls i den kompletterande tabellen S3). Det visar också att 99, 1% humana mikrobiella gemenskaper baserat på 16-talets rRNA-sekvensdata i V3-V5-regionen inte uppfyller den neutrala samhällsmodellen.

På liknande sätt innehåller tabell 4 parametrarna för 23 humana mikrobiella samhällen, baserade på V3-V5-regiondata, som har klarat det exakta testet för neutralitet, och resultaten från de andra 4557 gemenskaperna som inte klarat de exakta testerna för neutralitet, utelämnades i tabellen 4 (men finns i tilläggstabellen S4). Det visar också att 99, 5% humana mikrobiella gemenskaper baserade på 16-talets rRNA-sekvensdata i V3-V5-regionen inte uppfyller den neutrala samhällsmodellen.

Observera att bland de 26 gemenskaperna som klarat neutraltet är exakta test baserade på V1-V3, 21 urologiskt mikrobiom. Med andra ord, majoriteten (80%) av de neutrala mänskliga mikrobiella samhällena är urologiskt mikrobiom. Bland de 23 gemenskaperna som klarat det exakta neutraltestet baserat på V3-V5, är 14 hudmikrobiom. Med andra ord är majoriteten (60%) av de neutrala mänskliga mikrobiella samhällena hudmikrobiom.

Sammanfattningsvis visar våra resultat att mindre än 1% (49 av 7437 samhällsprov) uppfyllde den neutrala teorimodellen enligt testerna med Ewens 56 och Etienne 57- modeller. Vi drar därför slutsatsen att det mänskliga mikrobiomet inte är neutralt i allmänhet. Figur 1 visar graferna över fyra prover som framgångsrikt passar den neutrala teorimodellen för Etiens exakta 63 neutraltest.

De fyra proverna representerar de fyra olika platserna från fyra olika individuella ämnen: hals (ämne ID: 700110166), vänster antecubital fossa (ämne ID: 700102129), höger antecubital fossa (ämne ID: 700106174) och avföring (ämne ID: 700106979) . I figuren observeras de solida röda linjerna data och de svarta strecklinjerna är konstgjorda (simulerade) datasätt. X -ax är artens rangordning i överflöd och Y-axeln är överflödet av varje art i naturlig logaritm.

Bild i full storlek

Diskussion

Klocka 64 föreslog en metod benämnd spridning för distansförfall för testning av spridningsbegränsningen , som analyserar förhållandet mellan avståndet och skillnaden i samhället. Om det finns en spridningsbegränsande effekt i samhället, bör gemenskapens skillnad öka med ökningen av avståndet, och förhållandet mellan avstånd och skillnad bör vara linjärt 64, 65 . Annars bör förhållandet vara icke-linjärt. Genom simuleringsstudier med två enkla teoretiska samhällsmodeller, Lotka-Volterra stokastiska dynamikmodell och närvaro-frånvaro-modell, upptäckte Fisher & Mehta 66 att det finns en fasövergång i olika ekologiska samhällen mellan en urvalstyrd regim (nischfasen) och en driftdominerad regim (den neutrala fasen), liknande fasövergångarna som inträffar i H20 ( dvs. fast is, flytande vatten och gasånga). Deras simuleringsstudie antyder att nischfasen är mer trolig i samhällen med stora befolkningsstorlekar och relativa konstantmiljöer, och den neutrala fasen med små befolkningsstorlekar och fluktuerande miljöer. Författarna medgav att vissa förenklingar, som kan vara orealistiska för naturliga ekologiska samhällen, introducerades i sin studie: ett exempel är att samhället är väl blandat med rent konkurrenskraftiga interaktioner. I verkligheten är de flesta naturliga samhällen fläckiga, hierarkiska, av komplexa rumsliga strukturer, och effekterna av spridningsmutation och ömsesidighet kan knappast ignoreras, särskilt i mikrobiella samhällen. Om förutsägelsen från deras simulering tas bokstavligen, bör de tropiska skogarna, som borde ha relativt stabil miljö, vara mindre benägna att vara neutrala. Det är emellertid välkänt att Hubbell 2 neutral teori starkt inspirerades av hans studier av tropiska skogar. Ändå håller vi med Fisher & Mehta 66 om att förekomsten av en nischneutral fasövergång sannolikt är robust för de ytterligare modifieringarna med mer realistiska antaganden. Vi håller också helt med dem om att det behövs mer realistiska modifieringar för att utveckla mer kvantitativa modeller för naturliga samhällen.

Inspirerad av Fisher & Mehta 66- studien föreslår vi följande hypotes för att förklara misslyckandet med neutral teorimodell i beskrivningen av de mänskliga mikrobiella samhällena. Den berömda mikrobiella biogeografiska doktrinen som Baas-Becking 18 först föreslog, " Allt finns överallt, men miljön väljer " erbjuder oss ytterligare en nyckel som stöder bevis, förutom Fisher & Mehtas 66 resultat. Vi antar att balansen mellan spridning och urval kan tippa skiftet (fasövergången) mellan neutrala och nischregimer. Medan spridning gynnar neutrala processer, väger urval naturligtvis mot effekten av neutrala processer och till förmån för nischfasen.

Den fylogenetiska mångfalden har i allt högre grad blivit ett viktigt verktyg för att kvantifiera gemenskapsdiversiteten tack vare de snabba ansamlingarna av metagenomisk sekvenseringsdata 67, 68 . O'Dwyer et al . 33, 34 introducerade ett ramverk som använder den fylogenetiska mångfalden för att testa den neutrala teorin. De jämförde mönster av fylogenetisk mångfald över flera bakteriella samhällsprover från olika livsmiljöer med de evolutionära träden som genererades med hjälp av teoretiska modeller för biologisk mångfald. De fick två huvudsakliga fynd: den första upptäckten är att på grova skalor är ryggraden i de empiriska träden enkel, robust och konsekvent över livsmiljöer, även om de är idiosynkratiska på finare skalor. Medan deras första upptäckt fortfarande stöder den primära principen för den neutrala teorin - att selektiva skillnader är irrelevanta för att förutsäga storskaliga mönster, och därför kan den neutrala teorin sannolikt förutsäga biologisk mångfaldsmönster över grova skalor, och deras andra fynd avvisar den neutrala teorimodellen i sig . De fann att de existerande neutrala modellerna inte kunde förklara observerade mönster i mikrobiell fylogenetisk mångfald, och istället erbjuder en annan familj av co-koalescentsmodeller en kvalitativt bättre beskrivning av både skalning och topologi för empiriska träd. Deras övergripande slutsats är att även om principen för den neutrala teorin är användbar som ryggraden för att karakterisera den mikrobiella fylogenetiska mångfalden, behövs ny generation av neutrala modeller såsom familjen av Λ-koalescentsmodeller för att implementera användningen av ryggraden för att avslöja ekologiska och evolutionära mekanismer för mikrobiell mångfald. Medan vi håller helt med O'Dwyer et al . 33, 34 att testning av den neutrala teorin med fylogenetisk mångfald är mycket vettig, särskilt med nya typer av neutrala modeller, föreslår vi att olika mått för mångfald också kan göra skillnad. Två biologiska mångfaldsmetriker bör vara särskilt värda att fortsätta i framtida tester av den neutrala teorin. En är UniFrac av Lozupone & Knight 67, och en annan är Hill-numren. Den senare har i allt högre grad erkänts som de mest lämpliga alfadiversitetsmätningarna, och dess multiplikationspartition för betadiversitet har visat sig ha utmärkta statistiska och ekologiska egenskaper som är fördelaktiga jämfört med andra mångfaldsindex 68, 69, 70 .

Metagenomics-teknik öppnar oöverträffade möjligheter att testa ekologiska teorier såsom den neutrala teorin om biologisk mångfald genom att producera gigantiska mängder molekylära sekvenseringsdata ofta från många samhällsprover. Detta innebär dock också betydande beräkningsutmaningar. Några av utmaningarna kan hanteras med standardprogramvara för bioinformatik som QIIME och Mothur 71, men en mycket viktigare utmaning är att maximalt utnyttja stordata för metagenomiska sekvenser. En sådan utmaning i fallet med neutral teorimodellering är den extrema beräkningskomplexiteten som är involverad i testning av flera platser i neutralitet, vilket är beräkningsmässigt oförenligt när antalet platser (lokala samhällen) är mer än några få 36 . Ett nyligen viktigt metodologiskt framsteg av Harris et al . 36 erbjuder en snabb inställning till problemet. Tillvägagångssättet approximerar en stor klass neutrala modeller med den hierarkiska Dirichlet-processen genom att utveckla en mycket effektiv Bayesian-anpassningsstrategi för det flertalet neutraltestproblemet. Förutom att kunna hantera stora datamängder på en rimlig tid för flertalet neutraltest, är en ytterligare fördel att generera full posterior distribution över parametrarna, snarare än att få en högsta sannolikhetsförutsägelse. Metoden rekonstruerar också metacommunityfördelningen, vilket gör det möjligt att dela problemet med neutralitetstestet i två delar. För det första kan man från de fullständiga neutrala modellerna med anpassade parametrar generera prover och jämföra deras sannolikhet med de observerade proverna för att testa för neutralitet. För det andra kan man generera prover från den observerade metacommunityen och testa för neutraliteten i lokalsamhället enbart. Därför är det möjligt att testa med avseende på neutralitet på både lokal och metacommunitynivå med Harris et al . 36 hierarkisk Bayesian modelleringsstrategi. Ur ett bredare perspektiv föreslås att man använder hierarkisk Dirichlet-process som en ekologisk nollmodell, eventuellt utvidgas till nischneutral hybridmodell och spelar en mer betydande roll i samhällsekologin 36 .

ytterligare information

Så här citerar jag den här artikeln : Li, L. och Ma, Z. (S.) Testa den neutrala teorin om biologisk mångfald med mänskliga mikrobiodatat. Sci. Rep. 6, 31448; doi: 10.1038 / srep31448 (2016).

Kompletterande information

Excel-filer

  1. 1.

    Kompletterande information

kommentarer

Genom att skicka en kommentar samtycker du till att följa våra villkor och gemenskapsriktlinjer. Om du finner något missbruk eller som inte överensstämmer med våra villkor eller riktlinjer ska du markera det som olämpligt.