2018年7月25日，浙江大学环境与资源学院徐建明教授团队在微生物生态学顶级期刊The ISME Journal在线发表了题为“Genetic correlation network prediction of forest soil microbial functional organization”的研究论文，通过绘制森林土壤宏基因组的基因相关性网络，揭示了土壤宏基因组的功能结构，为预测宏基因组中基因未知功能提供了新途径。
土壤微生物是土壤生物地球化学循环和土壤生态过程的核心驱动因子。每克土壤中平均有来自 ~10万种微生物类群的~109个微生物细胞，其中约99%的土壤微生物类群尚未被培养，而大部分土壤微生物类群的基因组也尚未测序。由于土壤微生物多样性复杂且有大量未知的微生物类群，要清楚阐明土壤微生物的生态功能仍然是当前面临的重大挑战，而宏基因组技术为我们了解土壤微生物功能特征提供了有效的手段。自然生态系统是典型的多级结构系统，群落尺度的种间关系网络通常由分子尺度的基因网络决定。徐建明教授团队此前已在The ISME Journal上发文阐明了土壤微生物群落尺度物种共存网络特征 (Ma et al., 2016)，但土壤微生物群落在分子水平的基因网络功能结构特征尚不清楚。
研究团队从我国东部由南方热带季雨林到北方针叶林的典型植被梯度带上采集了45个土壤样品，基于高通量测序获取宏基因组并构建了基因相关性网络。网络包含5421个基因节点，7191个正相关网络连接和123个负相关网络连接。基于网络拓扑结构将网络节点划分为27个基因聚落，各基因聚落中主要包含了与特定功能相关的基因，且各基因聚落的中心节点都能代表所在聚落的功能。基因聚落之间的连接关系反映了土壤宏基因组中与细胞结构密切相关的多级结构特征，说明土壤微生物群落功能特征受到细胞水平基因功能过程的调控。网络中的正相关连接主要指示了基因的功能关联性，而负相关连接则指示了细胞生物过程中潜在的功能调控过程。因此，研究团队提出可以利用功能未知基因在基因相关性网络中的相邻网络节点来预测基因未知功能，并通过基因序列模拟蛋白结构验证了预测结果。因此，宏基因组水平的基因相关性网络将对系统探索土壤微生物群落功能起到重要的推动作用。
图1. 土壤宏基因组基因网络结构特征
论文第一作者马斌博士为浙江大学“百人计划”研究员，论文通讯作者为徐建明教授，浙江大学为第一和通讯作者单位。该论文的国际合作者包括美国芝加哥大学Jack Gilbert教授和比利时鲁汶大学Karoline Faust博士。该研究得到了国家自然科学基金创新研究群体项目(41721001)、国家自然科学基金国际合作重点项目 (41520104001)等资助。
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https://www.nature.com/articles/s41396-018-0232-8