[發明專利]一種基于Hill numbers與時間關系的冪法則模型預測微生物群落結構的方法

有效

• 申請號: 201711223008.4
• 申請日: 2017-11-20
• 公開（公告）號: CN110021338B
• 公開（公告）日: 2021-09-17
• 發明（設計）人: 馬占山;李文迪
• 申請（專利權）人: 中國科學院昆明動物研究所
• 主分類號: G16B5/00
• 分類號: G16B5/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明公開了一種定量監測微生物群落結構變化趨勢的方法，具體指基于微生物群落多樣性Hill numbers指數與時間關系的冪法則標度模型來監測或預測群落多樣性隨時間變化的方法。根據被測區域內微生物群落多樣性(Hill numbers)指標，通過建立“冪法則標度模型”和“指數截斷的冪法則標度模型”，分別構建累積群落多樣性指數與累積采樣時間之間的數學模型，并根據模型參數獲得一套評估體系，從而能夠有效地評估或預測群落多樣性隨時間的變化。該方法可用于監測或預測自然界中各種(包括人體、食品、水質、土壤等)微生物生態群落多樣性隨時間的變化，特別是人體微生物菌群，從而為菌群相關疾病的個性化精準診治以及健康菌群的監測和預測提供定量化指標。

技術領域

本發明涉及計算生物學、醫學及生態學領域，特別涉及一種監測或預測微生物群落結構隨時間變化趨勢的方法，具體指利用微生物物種多樣性Hill numbers指數與時間關系的冪法則標度模型來監測群落多樣性隨時間變化的方法。

背景技術

微生物是生態系統重要的組成之一，它們無處不在，數量龐大，在生態系統中發揮著重要功能。特定區域內微生物群落的穩定性牽涉到該區域整個生態系統的穩定性，如河流、湖泊和溫泉等水體內的微生物與水質密切相關，而土壤中微生物的組成會影響土壤的營養。微生物群落的物種數量會隨著時間進行波動，這種時間動態廣泛存在于各個特定位點的微生物群落當中。而不同群落的動態模型又不盡相同，該不同體現在微生物群落對外界環境或人為干擾的響應程度。如新生嬰兒腸道和新葉表面部分微生物群落，或水體系統中隨季節更替的微生物群落，會直接隨著外界環境的改變而改變。然而，如廢水處理系統中微生物群落卻極少出現時間波動，特別是其中的核心種群表現出較強的時間穩定性。對微生物群落的時間動態進行監控，可以更好的預測外界干擾對群落的影響，從而進行相應的人工干預來維護生態系統的穩定。

人體共生著大量的微生物，除少數病原菌外，它們與人體互利共生，相互影響。大量研究表明，人體微生物菌群與人體的健康和疾病有著緊密的聯系。宿主生活習慣、健康狀況的變化直接或間接地影響著特定部位菌群的結構，如結腸癌、牙周炎、細菌性陰道病、皮炎及肥胖等疾病還被稱為“微生物菌群相關疾病”。而不同時期的結腸癌患者腸道內微生物的物種組成及多樣性也發生了改變。人體共生菌群的時間動態可以在一定程度上反應人體的健康和疾病狀況，為疾病的預防、診斷和治療提供全新的視角。

在生態學領域中，研究物種隨時間變化的情況主要從物種豐富度(Richness) 與時間的關系著手，即物種-時間關系(Species-Time Relationship，STR)。其中，物種豐富度指一個群落內物種的數目。作為重要的生態學法則，STR描述了在觀測的時間范圍內，一個群落的物種豐富度隨時間增長的情況。然而，傳統的STR模型僅能反應一個群落物種豐富度隨時間的改變，忽略了其他重要的群落結構特征，如每個物種的豐度信息。物種豐度是衡量物種自身個體數量的指標，物種豐度及物種豐度分布情況在一定程度影響著群落結構的穩定。STR的片面性限制了STR的應用范圍，因此需要一個更為可靠、綜合的評估體系對群落結構進行時間序列上的監測。

發明內容

本發明的目的在于針對現有技術方法的不足，提供一種基于“多樣性Hillnumbers指數一時間”(Diversity-Time Relationship，DTR)的冪法則標度模型來監測自然界中各類微生物群落結構變化的方法。DTR模型系STR模型的全新擴展STR僅限于物種豐富度，而DTR則不但涵蓋了對物種豐富度的檢測，還可以用于群落中不同水平物種的多樣性檢測。該方法適用范圍廣，可用于檢測各生態系統中微生物菌群多樣性隨時間的變化情況，尤其可用于人體微生物菌群相關疾病的監測、診斷和干預，為個性化精準醫療的診斷和防治提供可靠的理論基礎和定量化指標。

為實現以上目的，本發明采用的技術方案為：

步驟【1】數據采集：一定時段內對特定區域的微生物生態群落進行監測，獲得一組不同監測時間點下各個物種的豐度信息數據。例如，通過16s-rRNA宏基因測序獲得各個樣點所有物種的豐度。