【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于微生物学领域，涉及一种评估微生物系统弹性的方法。
技术介绍
1、弹性一词于1973年首次引入生态学，并定义弹性为系统吸收和适应干扰的能力，且保持其基本结构和功能不变。微生物系统具有结构和功能，对外部扰动具有适应性，可利用弹性表征微生物系统对扰动的快速响应。然而，由于从20世纪90年代开始，生态学中的大型野外实验才向微观实验转型，导致对于各生态系统中微生物系统的研究滞后，尤其是微生物系统弹性的评估。
2、微生物系统弹性评估可利用的方法有3类：一是借鉴其他生态系统的评估手段，将扰动前、中、后时期某一指标的变化差值作为抵抗力、功能冗余及弹性；二是利用平均变异度评价系统稳定状态；三是利用势函数计算如势能深度、退出时间等指标。然而，当前可利用的方法无法真正的评估弹性，且缺乏合理的方法学，难以捕捉微观层面的动态。这在一定程度上限制了深入探究微生物系统对外部扰动的响应和在微生物系统探究弹性评估的发展。
技术实现思路
1、有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种评估微生物系统弹性的方法。
2、为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
3、一种评估微生物系统弹性的方法，该方法包括以下步骤：
4、s1：多组学数据获取：获取微生物群落的宏基因组学和宏转录组学数据；
5、s2：特定功能的微生物群筛选：根据目标功能筛选出参与特定代谢途径的功能微生物；
6、s3：评估抵抗力：计算微生物群落在代谢途径中各过程的shannon
7、s4：评估功能冗余：根据功能冗余定义和冗余物种判定，计算微生物群落在代谢途径中各过程的功能冗余；
8、s5：评估弹性：将抵抗力和功能冗余进行线性拟合，并基于抵抗力、功能冗余及拟合线所围面积计算弹性，并进一步计算弹性维持。
9、该方法包括概念框架的重建和方法学的构建，该概念框架的基础是弹性研究过程中逐渐达成的共识，即微生物群落的弹性由两部分决定，即抵抗力和恢复力。抵抗力是指微生物群落在面临外部干扰时维持群落结构和系统功能的能力；恢复力是指生态系统功能在受到干扰后趋于稳定或迅速恢复到干扰前水平的趋势。另一方面，功能冗余描述了微生物群落在不影响性能的情况下相互替代的能力，最终影响微生物群落的恢复潜力。最终，弹性由“抵抗力”和“功能冗余”共同决定，并基于球和杯启发式在稳定域下表征了这一概念。多组学技术提供了探究微生物群落弹性和非线性特征的机会。宏基因组学包含其成员的完整基因构成，可用于评估总基因组dna及其代谢潜力。宏转录组学的数据与微生物表达的基因子集有关，提供了基于序列的表达概况，并捕捉了在特定环境中生存所必需的基因快照。解码宏基因组学和宏转录组学中微生物群落结构与功能之间的复杂关系可为弹性带来新的见解。由此，可获得弹性的范围，并确定微生物群落是否适应外部干扰以维持功能。
10、方法学的构建包括对功能冗余、抵抗力及弹性分别进行评估。
11、功能冗余指的是多个不同生物体执行共同代谢功能的能力。本文对功能冗余的评估正是基于这一定义，因此评估的重点是对冗余物种进行量化。代谢途径中有许多过程，每个过程都由不同的功能基因执行。基于多组学技术，冗余物种的确定有两种类型：ⅰ)在宏基因组学或宏转录组学层中，如果一个物种参与了至少两个过程的执行，则该物种被认为是冗余的；ⅱ)同一代谢途径下，在宏基因组学层和宏转录组学层之间，如果一个物种出现在同一过程中，则该物种被认为是冗余的。冗余物种越多，功能冗余程度越高。根据冗余物种的数量确定功能冗余的评估值。功能冗余rfunc的评估如下所示：
12、
13、式中，a是代谢途径的第a个过程；na,mg和na,mt分别是宏基因组学(metagenomics,mg)层和宏转录组学(metatranscriptomics,mt)层的第a个过程的物种数；na,r(mg)和na,r(mt)是宏基因组学层或宏转录组学层在a过程中的冗余物种数；na,r(mg∩mt)是指宏基因组学层和宏转录组学层之间在a过程中的冗余物种数。
14、抵抗力rstru是根据robert may的理论贡献进行量化的。物种多样性及其连接强度等因素在决定抵抗力方面发挥了作用。对物种多样性和连接强度的评估细化也到了宏基因组学层和宏转录组学层每条代谢途径的每个过程。在这里，连接强度采用凝聚力coh度量。
15、rstru＝hshan-coh
16、
17、式中，hshan是香农多样性；sobs是观测到的物种数；ai是样本j中第i个物种的丰度；a是所有物种丰度的总和；表示两个物种占据相似的生态位，并以相似的模式对干扰做出反应，表示物种之间对养分或生态位的激烈竞争。and分别为正连接强度和负连接强度。
18、弹性由抵抗力和功能冗余共同决定。在局部稳定域下，具有非线性特征的微生物系统的弹性可被视为线性，因此将抵抗力和功能冗余进行线性拟合。由于功能冗余有两种类型，故弹性也包括了类型ⅰ和类型ⅱ。
19、类型ⅰ的弹性分别以宏基因组学层的抵抗力和功能冗余以及宏转录组学层的抵抗力和功能冗余来衡量。在类型ⅰ中，我们假设微生物系统的抵抗力越强，所需的功能冗余就越少。根据这一假设，出现了三种情况：
20、1)微生物系统具有抵抗力且完全不受干扰，不需要功能冗余；
21、2)微生物系统的抵抗力受到干扰并减弱，出现功能冗余以支持功能恢复；
22、3)微生物系统完全受干扰的影响，则功能冗余增强以维持系统功能的正常发挥。
23、类型ⅱ的弹性分别以宏基因组学层的抵抗力和宏基因组学层与宏转录组学层之间的功能冗余以及宏转录组学层的抵抗力和宏基因组学层与宏转录组学层之间的功能冗余来衡量。在类型ⅱ中，我们假定微生物系统的抵抗力越强，参与同一过程的物种就越多，则在宏基因组学层和宏转录组学层之间的功能冗余程度更强。根据这一假设，同样具有三种情况：
24、1)如果微生物群在宏基因组学层和宏转录组学层都能抵抗外界干扰，那么宏基因组学层和宏转录组学层之间的功能冗余就很强；
25、2)微生物群的抵抗力在宏基因组学层和宏转录组学层都受到干扰而减弱，参与某一过程的物种减少，宏基因组学层和宏转录组学层之间的功能冗余也减少；
26、3)当抵抗力完全受到干扰影响时，功能冗余就很弱，在宏基因组学层和宏转录组学层间的同一过程中，功能冗余将由新物种来发挥。
27、抵抗力和功能冗余所属范围同抵抗力和功能冗余拟合线作为边界，其所围区域被用来衡量弹性res。同时，弹性维持res,main为正值，表示微生物群的功能正常发挥。
28、类型ⅰ弹性的计算公式为：
29、res,mg＝∫∫f(x,y)mgdxdy
30、res,mt＝∫∫f(x,y)mtdxdy
31、res,main＝res,mt-res,mg
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【技术保护点】
1.一种评估微生物系统弹性的方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种评估微生物系统弹性的方法，其特征在于：所述S1中，多组学数据获取的具体方法包括：
3.根据权利要求1所述的一种评估微生物系统弹性的方法，其特征在于：所述S2中，特定功能的微生物群筛选的具体方法包括：
4.根据权利要求1所述的一种评估微生物系统弹性的方法，其特征在于：所述S3中，评估抵抗力的具体方法包括：
5.根据权利要求1所述的一种评估微生物系统弹性的方法，其特征在于：所述S4中，评估功能冗余的具体方法包括：
6.根据权利要求1所述的一种评估微生物系统弹性的方法，其特征在于：所述S5中，评估弹性的具体方法包括：
【技术特征摘要】
1.一种评估微生物系统弹性的方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种评估微生物系统弹性的方法，其特征在于：所述s1中，多组学数据获取的具体方法包括：
3.根据权利要求1所述的一种评估微生物系统弹性的方法，其特征在于：所述s2中，特定功能的微生物群筛选的具体方法包括：
4....
【专利技术属性】
技术研发人员：何欣霞，李哲，鲁伦慧，盛星，
申请(专利权)人：中国科学院重庆绿色智能技术研究院，
类型：发明
国别省市：
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