Cell | 微生物也有“社牛”与“社恐”？200万样本绘就全球微生物地图颠覆认知

撰文|亦

尽管环境DNA测序技术已广泛应用于微生物多样性研究，产生了海量数据【1，2】，但由于测序平台、扩增区域和数据处理方法的差异，不同研究之间的数据难以直接比较和整合。目前亟需解决的问题是， 如何将分散在全球各地的微生物群落数据统一起来，以揭示微生物在地球尺度上的分布规律、生态角色及其与环境因素的关系 。现有数据库大多局限于特定环境或技术，缺乏跨研究、跨环境的综合分析能力。

近日，来自瑞士苏黎世大学分子生命科学系和瑞士生物信息学研究所的Christian von Mering团队在Cell上发表了题为The MicrobeAtlas database: Global trends and insights into Earth’s microbial ecosystems的文章， 构建了一个名为MicrobeAtlas的大规模、跨研究兼容的微生物群落数据库，整合了全球超过200万个微生物群落样本。通过统一的参考序列聚类和元数据标准化，解决了数据异构性问题，使得微生物类群和群落可以在全球范围内进行追踪和比较。

为了构建一个能够跨越技术鸿沟、真正实现全球尺度微生物比较的资源，研究者首先需要整合海量且异质的公共数据 。为此，他们对NCBI SRA数据库进行了全面筛选，下载了2，390,937个微生物群落样本（涵盖52，950个研究项目）的原始数据，总计处理了6.87万亿条读段。在剔除了低复杂度、低测序深度或低覆盖度的样本后，研究获得了1，153，349个高质量、可比对的群落丰度谱，并通过对参考序列进行层级聚类，构建了从33，361到241，196个不等的OTU （operational taxonomic units） 。此外，研究还通过提取和标准化元数据关键词、地理坐标，并链接到外部数据库（如BacDive、proGenomes）和生态系统分类体系（IUCN），极大地丰富了每个样本的生物学和技术背景信息。最终，所有这些数据 通过一个功能丰富的网站（www.microbeatlas.org）呈现，允许用户在全球地图上追踪、比较和下载感兴趣的研究、样本和单个分类群 。

在构建了庞大的数据库之后，研究旨在绘制一幅高分辨率的全球微生物群落结构图谱，以理解不同生态系统之间的相互关系 。他们对26，487个稳健的“群落簇”（代表生态位中重复出现的微生物组合）进行了UMAP降维投影。结果发现，群落结构主要按环境类型（动物、水生、土壤、植物）分离，且由小型研究贡献的群落多样性远超大型联盟项目，表明 许多独特的群落组成仍未被发现 。研究还发现，土壤和水生环境的微生物 richness 最高，但其中大量序列无法分类到属水平，凸显了这些 高多样性生境的表征不足 。通过对特定群落簇的深入挖掘，研究者能够追踪到跨越多宿主和条件的群落类型，例如一个以双歧杆菌为主的簇同时包含了婴儿和猴子样本，而一个蜜蜂肠道相关的簇也出现在了捕食蜜蜂的燕子粪便中。这些精细的结构揭示了环境梯度、宿主和实验条件对群落构建的深刻影响 。

鉴于前文发现大量微生物无法被分类到已知属，作者开始定量评估并探究这些“微生物暗物质”的生态学特征 。通过将MicrobeAtlas的OTU与培养物数据库BacDive和基因组数据库proGenomes3进行比对，发现尽管这些数据库覆盖了绝大多数已有菌株和基因组，但MicrobeAtlas中绝大多数OTU（>95%）却没有任何培养株或高质量基因组的代表。这些未表征的OTU在丰度上呈现“长尾”分布，即绝大多数丰度极低，但也存在一些高丰度的未表征类群。进一步分析发现，表征程度越低的OTU，其reads越倾向于分布在环境样本（土壤、水生、植物）中。利用MicrobeAtlas的层级OTU结构，研究揭示了未表征类群的生态分化现象：一个仅能分类到Bathyarchaeota的97%-OTU，其下的两个99%-OTU子节点分别特化到了水生环境和土壤环境；同样，一个广布的Marinimicrobia OTU，其子节点也表现出了显著的纬度特异性。这些发现 首次为大量未知微生物提供了生态学线索 。

在明确了微生物的环境偏好后，研究进一步利用MicrobeAtlas中丰富的、经过清洗的地理坐标信息，探究微生物在全球尺度上的生物地理学分布趋势。 结果显示，尽管采样存在显著的偏倚（主要集中在北美、欧洲和东亚的温带地区），但数据库仍覆盖了从赤道到两极的所有气候带和多样的陆地生态系统（如通过IUCN分类体系关联的稀树草原、沙漠等）。分析揭示了清晰的纬度多样性梯度：海洋群落的OTU丰富度在热带和亚热带达到峰值，向两极递减，这一趋势在控制温度和深度后依然存在。通过对全球稀树草原土壤微生物的分析，发现不同大洲（如非洲、澳洲和南美）的稀树草原微生物群落组成存在显著差异，这种差异与植被覆盖、土壤有机碳、火灾频率等环境因子密切相关，表明 地理隔离和区域环境背景在塑造这些群落中起重要作用 。在物种尺度上，研究识别出大量具有明确地理偏好的OTU，例如一个偏好热带亚热带的SAR11支系OTU与一个偏好极地地区的支系形成了鲜明对比。这些分析证实了 微生物也具有宏观生态学中的生物地理学格局 ，并为理解微生物的扩散、适应提供了新的视角。

为系统性地量化微生物的生境广度，研究设计了一个基于香农熵的“泛化指数”，用以衡量每个OTU在动物、水生、土壤和植物四大主要环境间分布的均匀度 。结果发现，OTU表现出明显的特化倾向，近40%的OTU集中在特化端，而只有约10%属于泛化端。特化者主要在水生和动物环境中占优，而泛化者则更常见于土壤和植物相关环境。相应地，土壤和植物群落中的泛化者与特化者比例显著高于水生和动物群落。氧耐受性被鉴定为驱动这一趋势的关键因素：厌氧菌多为特化者，几乎只存在于动物和水生环境中；而好氧菌则更倾向于成为泛化者。在基因组层面，泛化者的平均基因数量显著多于特化者（最多高出36.4%），暗示其代谢灵活性更强。在分类学上，泛化者富集了Pseudomonaceae和Bacillaceae等以适应性著称的家族，而特化者则涵盖了Lachnospiraceae（宿主相关）和Desulfobacteraceae（水生）等。 值得注意的是，几乎所有家族内部都同时存在泛化和特化成员，展现了生态策略的多样性 。此外，研究还发现了显著的培养偏向性： 泛化者被培养的概率是特化者的近7倍，且丰度和 prevalence 更高的物种也更容易被培养 ，这强调了未来需加强针对稀有和特化类群的培养工作 。

综上，通过对MicrobeAtlas数据的统一分析， 研究揭示了微生物群落在不同环境（如动物、土壤、水体和植物）中的分布规律、生物地理学特征以及生态偏好，推动对微生物生态学、生物地理学和未培养微生物的深入理解。此外，MicrobeAtlas为全球微生物生态学研究提供了一个强大的数据平台，支持用户交互式探索和下载数据 。

https://doi.org/10.1016/j.cell.2026.01.021

制版人： 十一

参考文献

1. Hug, L.A., Baker, B.J., Anantharaman, K., Brown, C.T., Probst, A.J., Castelle, C.J., Butterfield, C.N., Hernsdorf, A.W., Amano, Y., Ise, K., et al. (2016). A new view of the tree of life.Nat. Microbiol.1, 16048. https://doi.org/10.1038/nmicrobiol.2016.48.

2. Parks, D.H., Rinke, C., Chuvochina, M., Chaumeil, P.-A., Woodcroft, B.J., Evans, P.N., Hugenholtz, P., and Tyson, G.W. (2017). Recovery of nearly 8,000 metagenome-assembled genomes substantially expands the tree of life.Nat. Microbiol.2, 1533–1542. https://doi.org/10.1038/s41564-017-0012-7 .

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