编译：fufu，编辑：小菌菌、江舜尧。
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导读
人们对将基于特性的研究方法应用于微生物生态学越来越感兴趣，但为什么这样做和怎么做的问题仍然滞后。研究微生物生物多样性的新技术和方法发展迅速，这增加了有关不同生境下微生物功能特性的大规模数据库的可用性。我们使用来自宏观生物生态学的案例研究来具体说明如何实现这些知识发展目标，并提出明确的方向以适应微生物的生物学现实，使微生物表型和特性的测量取得最新进展。基于特性的宏观生物生态学研究方法提升了我们提出可验证的生态动力学假说的能力，并促进了研究团队之间的关于数据、方法和解释的交流。不仅如此，基于特性的微生物生态学方法提高了我们对驱动微生物在不同环境中适应和共存机制的理解，并提供了将微生物特性与进化适应性和生态动态联系起来的可能性。
原名：Making the Most of Trait-Based Approaches for Microbial Ecology
期刊：Trends in Microbiology
IF：11.974
发表时间：2019.06
通讯作者：Geneviève Lajoie
作者单位：Département des Sciences Biologiques, Université du Québec à Montréal
1 范式转变:转向基于特性的生态学研究
不同时空尺度下个体有机体和物种的计数为生态学早期以来主导物种分布的过程提供了有价值的见解，但在最近几十年，这些方法被认为仅能提供部分对驱动生态和进化的适应性机制的理解。通过关注在环境梯度上影响着生物体的适应性而与物种身份无关的表型特性的有关研究，基于特性的生态学研究旨在为生态模式提供机械解释（不变因果关系背后机制的描述），并对生态动力学和生态系统功能提供更可靠的预测。由于有关微生物种群和群落多样性的数据越来越多，基于特性的微生物生态学方法越来越受科学家们欢迎。直接观测的微生物特性和基于遗传数据的间接推断越来越多地用于研究基础生态学问题，并已为微生物生态学知识的发展做出了贡献（Box 1）。在功能生态学的框架中，微生物的功能特性通常被理解为可能对微生物在一个环境中的生存有着重要意义的微生物特性。虽然最近的微生物学研究已经转向使用基于序列的方法来识别微生物分类单元，但在20世纪的大部分时间里，细菌分类单元的表型属性或特性的概要被广泛用于细菌物种的识别和诊断。我们在这里描述了当今最常用的方法，分别是直接方法和间接方法。直接方法是指通过直接观察表型来表征微生物特性的任何特性测量方法。它们包括用于研究微生物形态特性(如形状、细胞壁结构)的传统显微镜技术和培养技术。它们还包括用表型排列去量化微生物对大范围底物或压力的生理反应(如呼吸)。例如，微生物的资源利用特性可以被描述为代谢不同碳化合物(如，果糖)的能力，或在不同盐浓度下生存的能力。直接的方法可能还包括监测培养基或者野外实验中微生物所产生的代谢物(如葡萄糖、富马酸盐)，从而提供它们生理状态的快照，这种方法通常通过核磁共振或质谱进行分析，被称为代谢组学。最后，宏蛋白质组学指的是对给定的微生物样本产生的蛋白质进行分析，其中每一种已知的微生物蛋白都被认为是一种特性，常常是通过质谱来分离蛋白。间接方法通过基因组学、宏基因组学(包括标记基因的靶向测序以及环境DNA鸟枪测序) 或mRNA的测序(通过转录组学或宏转录组学)对基因的测序和分析来量化微生物特性。这些方法依赖于将得到的基因序列与所描述的此基因或蛋白质的数据库进行比较，从而推断它们的功能和对微生物的潜在用途。高通量测序通过增加对多样性微生物群落描述的广度和深度从而提高了生态推论的质量。由于解释单基因的生态功能并不简单，微生物生态学家通常使用基因层次结构来描述微生物特性，根据它们对代谢途径或环境感知途径等更高层次特性的贡献来对基因进行分类。
2 基于特性的方法扩展了我们对微生物生态过程的理解
以特性为导向的微生物生态学研究方法的一个最被认可的作用是可以提供生态模式的机制解释。细菌特性已被用来确定在不同类型的环境中生存的重要适应机制。通过分析多孔菌单细胞的基因组，Kamke和他的同事发现了这种菌体内有降解蛋白多糖链的能力的代谢途径，而蛋白多糖是其海绵宿主组织的重要组成部分，从而为这些细菌在宿主中生存提供了一种可能性机制。一项对土壤pH梯度下土壤细菌群落功能基因的研究发现，适应高pH土壤的特性是细菌内有大量的多种转运蛋白(如ABC转运蛋白)，因此它们可以直接吸收底物和辅酶因子。对微生物特性的关注给理解生物体其自身适应性和相互作用对生态系统功能和生产力的影响方面带来了重要进展。基于在海水的宏基因组样本中发现的功能基因，微生物特性多样性的变化解释了全球范围内这些群落初级生产力的变化，为了解海洋微生物在维持全球生产力方面的作用提供了新视角。对所观察到的生态模式进行功能性解释还有助于为去确定预测（与科学观察相比用来检验假设、模型或理论，并为理解现象提供支持(或不提供)）的发展提供机制基础，从而检验生态假设、模型或理论的有效性。特性已被用来预测不同生态和进化驱动因素对群落聚集的重要性。为了区分选择和中性过程在驱动微生物群落组装方面的相对重要性，研究人员比较了生活在同一群落中的微生物与随机抽取所有样本中具有不同特性的微生物组成的群落的特性相似性，在观察到的群落中，特性相似性比预期的要高，这表明在几个系统中微生物的特性是由选择决定的。功能生态学还有望进一步整合生态学数据、方法和跨研究小组和学科的现象解释，其实施也构成了最大的挑战。数据整合（设计和实现用于组装和比较数据的工具和标准）包括创建和使用工具和标准来收集和比较在分类单元内部和之间收集的数据，对这些数据的分析和解释有助于提高理解。如今，它通常需要在线平台来标准化和存储数据，以方便不同背景的研究人员使用和解释数据。数据整合是微生物生态学的优势之一，它依赖于数据库的开发来存储、组织和共享大量的遗传数据。从这些平台中剥离出来的全基因组和宏基因组的表型数据和功能注释现在正被添加到现有或新的数据库中，以便更容易检索和比较特性信息。蛋白质描述数据库的增长也有助于开发更精准的功能预测。这些方法进一步使数据的收集在各研究小组之间更具有统一性和可比性，便于推广。方法整合涉及到一系列研究特定生态模式或过程的方法的开发，使用它的目的是发展对结果的多方面的理解，例如表型基因芯片和高通量测序的同时使用已经可以描述特定微生物分类群的实时功能能力，以了解其内生生活方式下的适应机制。微生物群落基因组和转录组的平行测序同样有助于描述这些群落的基本生态位和已实现生态位之间的差异。最后，解释性整合涉及到在一个新的研究领域中使用在其他学科中发展起来的假设或理论的组合，这可能会/不会导致理论的统一。虽然十多年前就有人呼吁对微生物生态学进行解释性整合以促进对生态的理解，但这种类型的整合现在才刚刚出现。例如，Werner和他的同事提出了一个市场理论在微生物学上的应用，这个改编自经济学的理论通过描述不同条件下的资源投资策略(功能生态学中的一个关键概念)来解释微生物的合作行为。为了划分微生物群落对海洋栖息地(厌氧氨氧化和反硝化作用)中氮素生产的不同过程的相对贡献，Reed和同事将生物地球化学中发展的化学动力学模型应用于环境基因组研究中的功能基因丰度数据，通过将他们的模型与实验数据进行比较，他们证实了脱氮在N2生产中具有更大贡献。当通过把功能特性、解释、预测和整合最终实现时，这将有助于生态学知识的进一步发展。它们为研究结果的泛化提供了基础，并促进了普遍规律的发现、理论的发展和大规模预测模型的出现。
3 功能微生物生态学研究的机会与挑战
上述各种类型的研究为利用微生物生态学特性以提高对生态学的认识提供了机会。微生物研究系统提供的机会包括它们丰富多样的生理学和资源利用策略，这为研究生物多样性的适应机制和生态进化提供了场所。例如，生物生长的最佳温度和光照强度以及它们吸收硝酸盐和代谢二氧化硅的能力都有助于改进海洋浮游植物的群落结构模型和对其生态系统功能和生物地理学的预测。从综合和实用的角度来看，微生物生态学家还可以受益于为特性数据共享而开发的现有平台，以及用于标准化处理和分析功能特性数据的几个免费在线平台。然而这一潜力尚未完全实现(图1)。接下来，我们将研究当前微生物功能生态学实施中的挑战，以及它们对知识发展的不同方面的影响。
图1 基于特性的方法在提高微生物生态学认识中的关键步骤。每一步都可以通过不同的机制促进对生态的理解，如蓝色方框所示
缺乏微生物功能特性的定义
尽管在微生物生态学中特性的使用已经取得了很大的科学进展，但个体研究很少去定义微生物的功能特性概念或像在宏观生物群中明确地将特性与适应性成分联系起来。这限制了特性识别适应性机制的能力和解释力的潜力。缺乏微生物特性的标准化定义进一步限制了我们在基于特性的研究中比较结果的可能性，从而影响了整合的潜力（Box 2）。Box2 将功能特性的概念从宏观有机体转化为微生物生态学的挑战在宏观生物生态学中使用的功能特性，其概念本质上是一个选择性的概念:生态学家的目标是使用特性来解释个体之间的适应性差异。对于植物和动物来说，适应性的概念和特性的遗传性是相对直接的，因为它们通常是多细胞生物，它们的特性是直接繁殖并传递给后代的。因此，特性和适应性 (例如，后代的数量)都可以追溯到单个个体。微生物生态学家试图使这一特性的概念应用微生物生物学时遇到了几个挑战：首先，由于在不考虑系统发育同一性的情况下，微生物具有与其他细胞之间水平基因转移的潜力，因此很难将基于个体的特性定义应用于微生物。其他现象如微生物聚集成生物膜可以作为一个群体被选择，或相反，在单个真菌菌丝中观察到的遗传多样性细胞核的存在，这使得将单个微生物作为选择单位变得更加困难。在单细胞水平上测量特性和适应性也是非常困难的。常用的环境测序方法不允许将序列归属于个体，而是根据序列变异或分类学单位进行分组。因此，定义它们的最低水平通常是种群，这时候需要使用群增长率或种群大小等作为适应性的一个指标。如今，流式细胞术和单细胞基因组学等技术方案提供了描述单个细胞功能特性的可能性，但这些方法仍处于发展的早期阶段，而它们是否能提供一种标准的、易于应用的途径来研究基于特性的生态学尚无定论。
微生物生活方式的多样性
微生物生活方式的多样性是功能特性方法标准化使用面临的另一个挑战。它包括三个不同的问题：首先，丰富多样的特性可能具有潜在的适应意义。第二，许多潜在的重要微生物特性可能还没有被记录下来。当我们试图将功能与基因序列相匹配时，这个问题尤其明显。因为相关蛋白的基因序列很少通过实验表征，而且在许多情况下这些基因序列匹配不到任何已知的特性蛋白，因此不能通过同源性来预测其功能。第三，特性的多样性导致了研究人员选择特性进行研究的方式多种多样，导致根据研究小组的特定兴趣和专业知识来研究可能不同的基因家族，例如甲烷氧化，葡萄糖利用，氮循环等。许多单个基因的功能仍然知之甚少，微生物特性经常被分类并在广泛的水平上进行分析，例如新陈代谢或细胞过程。考虑到无法准确描述许多基因的功能，这种方法似乎是必要的，但它限制了对驱动微生物相对丰度差异的适应机制的准确推断。找到合适的水平来聚合微生物特性数据以最大限度地提高解释能力，将需要更多的研究和改进我们注释和分类基因功能的能力。微生物特性测量方法的复杂性同样构成了整合和推广的障碍，促进了不同技术专长(如代谢组学、宏基因组学、蛋白质组学)研究群体的划分。一些技术的高昂成本进一步促进了这种划分，每个样品的分析成本高达数百或数千美元导致许多研究小组的技术限制。最后，高维微生物特性空间数据的分析对传统的统计分析提出了技术挑战。
不完整且存在偏差的数据库
微生物功能特性的注释需要使用参考数据库，但现有的微生物特性数据库不完整且存在一定的偏差。这些数据库能更好地代表与特定生态系统相关的微生物分类群，特别是那些对人类健康有重要意义的微生物和那些可以被培养的微生物。虽然这些数据是有价值的，例如在人类微生物群落中，与人类相关的微生物生态学与其在其他环境中的亲缘微生物相匹配的程度，限制了利用它们的基因组来预测环境样本中微生物特性的有关推断的质量。特性数据库中微生物系统发育起源的偏差进一步限制了对微生物群落中生态学和进化动力学中一般驱动因素的研究。某些数据管理实践工作也限制了整合方面的进展。与测序数据相关的元数据的普遍缺乏使研究和生态系统之间的基本生态问题的Meta分析复杂化。例如，在确定微生物功能时，不同的研究可能定义或测量不同的环境变量。把数据整合到数据库之前的数据管理实践这一步骤通常没有被描述，例如样本保存条件等，但这些条件可能对样本中关键分类单元的测量多样性和相对丰度产生重大影响。
许多基于特性的研究缺乏明确的生态学假设
微生物特性的初步研究主要集中在描述微生物的表型和生理机制，从而了解微生物的生物学特性并在培养中识别不同的微生物类群。虽然一些人认为微生物生态学仍处于一个探索阶段,收集的现有数据没有特定生态假说的检验是正常的,但大部分微生物生态学家一直在呼吁开发一种更明确的基于假设的微生物生态学科学以便取得进展。虽然研究人员一直在使用基于特性的方法来确定微生物群落结构和生态系统过程之间的联系，但这些预测的直接实证研究在很大程度上仍然缺乏。
4 微生物生态学中基于特性的研究方法的下一步
改进微生物功能特性研究方法的第一个主要步骤是在微生物领域定义功能特性。微生物功能特性的明确定义将有助于制定选择信息性特性的指导方针，从而提高基于特性的方法的解释力。我们建议采用当前对植物和其他宏观生物体的使用中功能特性的定义，即功能特性是生物体的任何可以与其适应性相联系的属性。采用这种定义将需要从单纯的基于序列的方法转向对微生物功能进行量化，将直接测量微生物种群和细胞生长、性能和生存(例如，监测细胞密度、生物量合并或呼吸速率)的数据合并进来。
定义包含生物尺度的微生物适应策略
微生物生态学研究的下一步将是寻找类群内部和类群之间适应变化的长轴，如在植物生态学等领域所实现的。换句话说，诸如“是否存在跨微生物的通用适应策略?”或“什么类型的功能特性驱动了它们进化多样性的产生?”之类的问题需被解决。研究生物体之间的总体适应策略会降低生物体所表现出的潜在的大量多样性特性的维度性。虽然一些研究人员试图将宏观有机体生态学中发展起来的一些分类应用到微生物领域，它们的使用迄今为止是有限的。将成千上万个潜在的特性减少到数量更少的相互之间以及与微生物的生态策略一致相关的可测量的功能，这将有助于研究人员集中调查进而解决时间和预算限制等常见问题。在可预见的将来，收集微生物特性数据仍将是相当昂贵和耗时的，因此利用有限的一组功能特性来进行研究甚至更为重要。
更好的数据管理实践
微生物生态学的许多研究都利用了微生物表型、功能基因和蛋白质信息的在线数据库。充分利用这些数据的一个比较大的挑战是如何改进元数据的收集和报告，从而促进对微生物生态动态和分布的调查和大规模范围的比较。这些元数据包括用于初步分析数据和收集数据的环境条件的实验方法，包括收集微生物的宿主或栖息地的相关信息。虽然制定了最低限度的信息标准，但如果缺少有关专家的合理商讨，实践科学家很难采用和使用这些标准。然而，数据库管理人员执行这些标准是具有挑战性的，因此更多的资金来操作和管理这些数据库。
改善生态学家和微生物学家之间的知识转移
微生物特性在检验生态学理论中的有限使用可能是由于微生物学家与非微生物生态学家在当前微生物生态学研究中存在分歧，这种分歧由不同的科学传统和出版期刊所导致。在缺乏积极的知识转移的情况下，仍需解决的生态问题和能为这些问题所服务的生物知识之间的配对是困难的。虽然没有消除这一分歧的万灵药，但极为重要的是大家应努力制定概念的共同定义，并在跨学科界限的出版物和会议上提供其明确的定义和解释，同时鼓励具有不同背景的研究人员在发文章表前和发表后进行同行评审，这也将有助于充分利用每个学科的经验来完善这一领域。
5 结束语
在高通量测序技术的推动下，基于特性的微生物生态学研究方法加速了作为生命之树高度多样化分支的生态学知识的发展。这些方法已经成功地阐明了微生物适应环境的机制，为在多个系统中观察到的微生物生命的变化提供了解释，并深入了解了生物多样性的产生。该学科强大的生物信息学资本进一步简化了在线数据共享，从而增加了全球结果整合的机会。然而，微生物生态学的知识发展可以通过更一致地对功能特性产生预测从而检验生态学理论，并通过更好的数据和所有微生物生态学从业者之间的理论共享来促进研究结果的整合和推广来得到改善。我们认为，要实现这些目标的第一步应该是就“什么构成了一个有价值的微生物特性来研究”达成一致，基于植物生态学中发展的功能特性的定义，我们建议采用以适应性和适应度为基础的功能特性概念，这将增加基于特性的方法的解释力以及它们在微生物系统中检验生态理论的可信度。识别和使用主要的微生物适应策略结合大量的共变特性将进一步促进研究不同生物学水平和使用不同方法的研究团队之间基于特性的方法整合，并简化微生物特性数据的高维性。总而言之，采取一项旨在将微生物功能与适应性紧密联系起来的行动计划有望大大加快微生物生态学知识的发展。
未能解决问题：
1. 我们应该如何定义、识别和测量微生物的重要功能特性?3. 什么样的功能特性驱动了微生物进化多样性的产生?4. 推动微生物在全球范围内分布的生态过程，是否与推动植物和动物等宏观有机体分布的生态过程类似?5. 报告微生物特性数据的最低信息标准应该是什么?6. 为了全面实施这些标准，需要什么样的激励措施？
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