翻译：周之超@UW-Madison

编辑注：该文章发表于2018年的Perspective，目前被引405次。其作者Stilianos Louca大家并不陌生，正是常用微生物物种功能注释软件FAPROTAX的作者，详见《元素循环FAPROTAX》。

Function and functional redundancy in microbial systems

Nature Ecology & Evolution [IF: 15.46]

DOI：https://doi.org/10.1038/s41559-018-0519-1

发表日期：2018-04-16

第一作者：Stilianos Louca1,2

通讯作者：Stilianos Louca([email protected])1,2

合作作者：Martin F. Polz,Florent Mazel,Michaeline B. N. Albright,Julie A. Huber,Mary I. O’Connor,Martin Ackermann,Aria S. Hahn,Diane S. Srivastava,Sean A. Crowe,Michael Doebeli,Laura Wegener Parfrey

主要单位：

1,2哥伦比亚大学(Biodiversity Research Centre, University of British Columbia, Vancouver, British Columbia, Canada;Department of Zoology, University of British Columbia, Vancouver, British Columbia, Canada)

微生物群落往往表现出令人难以置信的分类学多样性，这就提出了关于使物种共存的机制以及这种多样性在群落功能中的作用的问题。一方面，许多共存但在分类学上不同的微生物可以编码相同的能量产生的代谢功能，这种功能冗余与物种应该占据不同的代谢生态位的期望形成对比。另一方面，编码每种功能的类群的身份在不同的空间或时间可以有很大的变化，而对功能的影响不大，这种分类学上的变化经常被认为是同等生物之间的生态漂移的结果。在这里，我们综合了从这两种模式中出现的强大范式，将微生物系统中的功能、功能冗余和分类学的作用联系起来。我们的结论是，这两种模式都不可能是生态漂移的结果，而是开放的微生物系统不可避免的新兴属性，主要是由生物的相互作用和环境及空间过程导致。

微生物是地球上最古老、系统发育最丰富和最广泛的生命形式。一克土壤就能容纳成千上万的微生物物种。微生物的代谢和生物合成的多样性同样令人印象深刻：已发现的原核生物蛋白质编码基因的数量比所有植物和动物的总和还要多几个数量级。微生物编码的代谢途径推动了大多数生态系统中的大部分元素循环，在数十亿年中塑造了地球表面的化学性质。然而，我们对微生物系统（微生物群落和非生物物理化学过程的耦合）的机制性理解仍然处于初级阶段。巨大的微生物多样性对建立微生物系统模型和解释跨空间和时间的群落变化模式提出了重大挑战。此外，生态系统生态学和生物地球化学的许多问题需要了解微生物代谢功能的变化，而不仅仅是分类组成。

尽管微生物的多样性很高，但大多数主要的生物地球化学反应是由一组有限的能量转换代谢途径驱动的，其中每一种途径都存在于各种微生物支系中。功能性群落分析——以感兴趣的代谢功能——来描述群落可以将微生物系统简化到数学建模所允许的水平，并能揭示出跨环境梯度的群落结构模式。最近在多种环境中，从土壤到海洋再到人类肠道的一系列研究表明，某些代谢功能与某些环境因素密切相关，并且在许多情况下，与特定地点和时间的物种组合脱钩。对参与各种代谢功能的微生物多样性的量化也表明，群落通常在多种功能方面表现出高度的 “功能冗余”，也就是说，每种代谢功能可以由多种共存的、分类学上不同的生物体来完成。目前，对这些模式的含义存在很多困惑；然而，对它们的正确解释对于理解控制微生物群落组成和功能的机制是至关重要的。在本展望中，我们提供了对这些模式的解释，并讨论了从这些模式中出现的强大范式，将功能、功能冗余和分类学在塑造微生物系统中发挥的作用结合起来。

Disentangling function from taxonomy in microbial systems

最早的一次微生物群落宏基因组比较调查显示，功能谱(就群落中发现的基因而言)与采样环境的类型(海水与土壤等等)高度相关，表明环境选择了特定的功能。随后对不同人类宿主的肠道菌群进行了比较，发现不同宿主的菌群的分类组成差异很大，而其群落的基因含量却非常保守。同样，在对大型海藻Ulva australis上的细菌群落的调查中，群落似乎是根据功能基因而不是物种组装的。这些发现表明，替代性微生物群落可以表现出由其环境选择的类似群落基因谱。根据这一观点，最近对凤梨科植物叶面“水箱”内的细菌和古细菌群落的研究发现，群落的功能组成(就参与各种能量转换功能的基因而言；图1c，d)在各种凤梨科植物中高度保守。相反，与每个功能组相关的类群(即能够执行特定的代谢功能)在凤梨科植物之间有很大的差异，无论使用何种分类分辨率(一直上到纲分类水平；图1a，b)。因此，功能组内的分类学组成一定是由额外的因素形成的，这些因素与形成群落功能结构的因素不同，也就是说，分类学组成和功能组成(遗传潜力)出现了“脱钩”。在生物反应器的实验中反复观察到各种代谢功能和分类群组成之间类似的解耦，如脱氮或甲烷生产，其中分类群组成随时间的变化很大，与生物反应器的性能稳定相吻合。在下文中，我们讨论可以促进这种经常观察到的现象的条件和机制。

Gene-centric structure of microbial communities can decouple from taxonomic composition

a,b 巴西Juruba Tiba国家公园22个相似的同时取样的Aechmea nudicaulis凤梨花的叶片中发现的细菌和古细菌家族(a)和操作分类单位(OTU；b；16S rRNA基因相似度为99%)的相对丰度(每个凤梨花一栏，每个分类群一个颜色);

c,d 相应的宏基因组群落组成，以KEGG的标准分类(c)和自定义的代谢基因类别(d)所定义(每个样品一栏，每个基因类别一种颜色)。请注意，与相对保守的宏基因组组成(c,d)相比，整个凤梨科植物的分类组成更为多变(a,b)。

在上述研究中看到的稳定的功能组成和可变的分类组成之间的对比反映了许多功能和原核生物系统发育之间的弱关联。事实上，很大一部分代谢功能不是单系的，也就是说，没有一个支系是任何这些功能的唯一代表。因此，虽然一个生物体的系统发育位置原则上决定了它的代谢潜力(考虑到足够的分辨率和/或性状的保守性)，但反过来不一定，也就是说，代谢潜力不一定表明是一个特定的支系(一个明显的例外是产氧光合作用)。适应性功能丧失或基因组精简、趋同进化和水平基因转移都会侵蚀许多性状的系统发育信号。水平基因转移也导致基因组内性状的低遗传联系，从而导致基因组间性状的重新组合。例如，一些大肠杆菌菌株，其蛋白质编码基因的重叠率不到40%。功能保守的系统发育尺度在不同的功能之间有很大的差异，甚至对于单一的功能，系统发育的保守性在不同的支系之间也会有所不同(图2a,b)。例如，呼吸硫酸盐的能力是Desulfobacteraceae、Desulfohalobiaceae和Desulfomicrobiaceae的所有可培养成员所共有的，但只有Archaeoglobus的一个子集拥有这个功能。由于一个特定的代谢功能可能在不同深度的不同支系中存在和保存，因此即分类群总是或从不显示该功能是很难确定的。因此，不存在分类学上的变化明确反映功能变化的单一分类分辨率，也不存在环境对某些功能的选择(如氧气的存在选择需氧菌)明确转化为对特定分类群的选择。

Phylogenetic conservatism varies between functions and between clades

a 系统发育树的示意图，其中填充和未填充的提示分别表示特定功能的存在和不存在;

b 原核生物在各种代谢功能方面的阳性支系(即该功能在≥95%的支系中存在)，用圆圈表示(每种功能每个阳性支系一个圆圈)。圆圈在横轴上的位置是根据该支系的平均系统发育深度(以16S rRNA基因中每个位点的替换数衡量)。较大的圆圈对应于含有更多tips的支系(对数尺度)。大多数功能在不同深度和大小的众多支系中是保守的，含氧光合作用是一个明显的例外;

c 从NCBI RefSeq下载的非冗余原核生物基因组(即具有独特的NCBI分类号)的数量，并发现其具有每种功能;

面板b和c是基于在大约59,000个几乎完整的测序基因组中检测到的基因(个别基因列在括号内)。

某些功能与特定分类组合的部分地完全分离似乎是不可避免的，因为同样的功能可以由其他分类群执行(图2c)。营养供应率、辐照度、地球化学梯度、环境运输过程和生物体内各途径之间的随机平衡可以强烈制约反应速率，而来自代谢途径的能量产量进一步影响功能组的可能生长速率。虽然每种功能当然只能由某些分类群来完成，但上述因素可能对这些分类群中的哪一种在特定情况下执行每种功能没有什么控制。反过来说，大量的生化通量率可能对功能组别在空间或时间上的分类变化表现出低敏感性。为了支持这一解释，一项全球土壤生物地理学研究发现，非生物土壤特征在很大程度上解释了氮循环途径丰度的变化，但对相应功能组内的分类学组成的解释却很弱。在全球海洋中，对广泛的代谢功能也有类似的观察。反过来说，最近的一项整合分析发现，在所考虑的研究中，除了环境变量外，将分类群落组成作为碳和氮过程速率的预测因素，只提高了29%的预测能力，调整后的R2平均只从0.56增加到0.65。哪些功能受环境强烈控制——因此对分类学变异不太敏感——取决于生态系统的类型，特别是取决于可用于获得能量的氧化还原不平衡和物理-化学边界条件。在实验中，广泛分布的功能，如呼吸作用、整体碳分解作用和生物量生产，似乎比狭窄的功能，如特定化合物的降解，更能抵抗分类群落组成或多样性的变化。这种模式的一个可能的原因是，广泛的功能可能是更多的功能冗余，从而更好地缓冲由生物或非生物干扰引起的分类学变化。在热力学上，线性分解代谢途径的终点对分类学变化的敏感度也可能低于可以用其他方式进行的单个中间步骤。例如，用葡萄糖连续喂养产甲烷生物反应器的模型表明，通过“替代”分解代谢途径(如从葡萄糖到挥发性脂肪酸并最终到甲烷的各种替代途径；图 3)的相对通量率在面对分类学变化时可能不如整体甲烷生产速率稳定。

Functional redundancy in methanogenic communities (schematic illustration)

a 一个典型的代谢网络的模式图，由甲烷生成纤维素喂养的生物反应器中的微生物群落驱动，驱动纤维素分解为甲烷。圆圈代表底物或最终产品，边缘颜色表示相关底物;

b 每个分解代谢步骤的扩展，显示多个不同的生物体能够进行相同的反应。填充的圆点代表不同的群体基因组;

c 聚焦于三种看似冗余的生物，将葡萄糖分解为醋酸。现实生态位的分化和共存可以通过使用底物类型以外的性状差异来实现，可能包括对不同噬菌体的敏感性(蓝色对紫色)、不同的觅食策略、对颗粒的附着和生物膜的形成、不同的氮库使用(硝酸盐NO3-对铵NH4+)，以及对不同抗生素的生产和抗性(小五边形)。

一些研究观察到功能和分类群落组成之间有很强的相关性，例如跨越强氧化还原梯度。我们强调，当环境条件变化时，对特定代谢功能的选择通常会引起分类群落组成的变化，此外还有功能组内发生的分类学变化。因此，当比较不同空间或时间的群落时，功能和分类群落组成之间的相关性将取决于选择特定功能的机制与导致功能组内变化的机制的相对重要性，以及这些功能的系统发育分布。

我们指出，功能群落结构原则上可以针对任何任意的功能集进行定义(观察到的时空模式将取决于功能的选择)，尽管通常会特别关注参与主要元素循环或具有特殊工业重要性的能量转换代谢功能。我们还提到，一些作者定义了“功能反应群”，即对特定环境因素有类似反应的生物体，并将其与“功能效应群 ”区分开来，即对特定生态系统功能有类似影响的生物体。然而，在这里我们避免使用这一术语，部分原因是(代谢)功能组(见本观点)通常可以被看作既是效应组又是反应组。此外，如上所述，代谢功能组内的代谢功能和分类变异构成了许多微生物系统的互补和分离的方面，并对明显不同的过程提供新的见解。

Functional redundancy is widespread in microbial systems

很大一部分代谢基因出现在地球历史的早期，如上文所述，在地质时期传播到多个微生物支系。今天，在全球范围内，大多数代谢功能可能由广泛的现存分类群执行。更引人注目的是，即使在局部范围内，通过对宏基因组序列进行分类或对分类群进行功能分类，对与每种代谢功能相关的分类群进行列举，往往会发现有多种能够执行类似代谢功能的不同生物共存。例如，数百种能够进行氢氧化的微生物可以在地下水中共存，数百种含氧光自养生物可以在海洋表面共存。在一个海底含水层中，有几十个基因组有可能氧化硫化物获得能量，至少有15个基因组能够完全反硝化。在产甲烷的反应器中，纤维素的水解可以由几十个不同的生物体同时进行。在硝化生物反应器中，通常有多种氨氧化细菌共存，并随着时间的推移表现出不同的相对丰度。功能冗余，似乎是许多微生物系统的一个共同方面。尽管如此，很明显，任何特定系统中功能冗余的程度取决于所考虑的功能。例如，在阳光充足和氧气丰富的海洋表面，光合作用和氧气呼吸通常比硫酸盐呼吸和甲烷生成的冗余度高得多。

原则上，功能群落结构(以及功能冗余)可以在不同的细节层次上进行定义，例如根据反应动力学进一步区分功能。一些作者认为，只有当生物体由于高度的生态相似性而可以很容易地相互替代时，它们才是功能冗余的，不过这些作者也承认，这一标准在实践中很少被满足。其他作者只将在相同环境条件下，能够以相同的速度执行某种功能的生物体定义为功能冗余。后者的要求在实践中很难检验，而且测序数据很少能推断出可能催化的反应类型以外的酶动力学。这种定义的实用性也受到了限制，因为一个群体的代谢活动取决于整体的群落状态，如合成伙伴、噬菌体或细菌素的存在。此外，大量的过程速率可能在很大程度上受到环境的物理化学特征的制约，例如在沉积物柱上的空间传输速率或生物反应器中的底物供应速率。因此，具有不同反应动力学的不同分类群可能会引起不同或类似的生化通量速率，这取决于详细的环境设置和群落的当前状态。因此，我们认为，与参考文献中更严格的定义相比，本视角所使用的表示多个不同生物体执行特定功能的单纯能力(方框1中的术语)以及在许多环境中观察到的功能冗余的定义具有更大的实际意义。例如，功能冗余(本文所定义的)通常与功能对环境干扰的稳定性有关，而且正如我们在下面讨论的那样，可以对重要的群落进程产生重要的见解。

Mechanisms promoting functional redundancy

在大型生物群落中，长期以来一直观察到能量转换代谢途径方面的高度功能冗余。例如，几乎所有的植物都有一个共同的代谢位——它们是含氧的光自养生物。在微生物和宏观生物中都是如此，功能冗余表明，除了不同能量来源的可用性外，还有其他因素在控制多样性。事实上，蒂尔曼(Tilman)的经典竞争理论认为，在稳定状态下，在一个混合良好的系统中，任何给定的资源——如电子供体或受体——最多只能限制一个持续存在的群体。这个种群将是能够在最低资源水平上保持稳定规模的种群，因为所有其他种群要么被竞争掉，要么被不同的资源限制。虽然稳态和完全混合可以说是一种理想化的情况，但蒂尔曼的竞争理论提供了一个基准——最低期望值——可以与观察到的多样性进行比较。每个限制性资源持续存在一个物种的理论预期与观察到的生命多样性之间的明显脱节，在宏观生物群落中已被以几种方式来解释。首先，限制性资源的特性或环境条件的空间和时间异质性，加上物种之间的反应差异，可能有效地创造出多个生态位。其次，竞争性排斥可以被生物的相互作用所破坏，如捕食，或被区域池的分散所抵消。重要的是，物种可能会在涉及资源竞争的特征与涉及环境耐受性、捕食者抵抗或扩散的特征之间进行权衡。

与大型生物类似，微生物群落的功能冗余可能是由沿其他生态位轴的分化而促进的，而不仅仅是代谢资源，包括它们对环境扰动的反应差异、对颗粒附着策略的差异。探索营养梯度和寻找食物颗粒的趋化策略的差异，特定多糖(例如海藻酸)的裂解酶基因的数量和类型的差异，营养浓度的波动与不同的生长动力学相结合，不同的微量营养物的限制，以及噬菌体和原生动物食草者的捕食。例如，营养物质的获取和对噬菌体捕食的抵抗之间的权衡，可能使竞争者共存，尽管噬菌体对微生物群落的确切影响仍不确定。内部竞争动态，即多对竞争物种集体没有明显的赢家，也可能通过抗生素战争发挥作用。新陈代谢重叠的微生物在生态学上的差异可能比我们目前所能确定的要多得多，因此，群落组装发生在一个高维(多因素)的空间。事实上，最近在微生物基因组中进行的基因编目工作显示，有数十万个基因簇，其功能基本上没有被描述。鉴于这些观察，在开放的微生物系统中，功能冗余似乎是一个不可避免的结果，在这些系统中，多样性不受低移民率的限制。

在评估一个生物体所利用的代谢生态位时必须谨慎，例如从其基因组推断的代谢潜力。具有类似代谢剧目(“基本”代谢生态位)的种群可能专攻不同的营养物质，从而表现出单独的 “现实”生态位，这可能在转录水平上表现出来。特别是，一个功能组即使在同一时间只有几个成员积极执行该功能，也可能显得高度冗余，因为一些成员可以表现出替代模式来获得能量，而其他成员可能只是不活跃。一个特定种群所执行的代谢功能通常取决于环境条件以及其他群落成员的存在和活动。我们强调，即使群落中的生物具有多功能的代谢功能，上面讨论的经典竞争理论的预测仍然适用。也就是说，在稳定状态下，共存的生物体的数量不能超过限制至少一个生物体生长的资源(包括代谢副产品)的数量。例如，虽然两个产氢的甲烷菌可以在同一环境中共存，但在稳定状态下，它们不可能受到同一个氢气库的限制。在非良好的混合环境中的精细空间隔离是使共存成为可能的机制之一。例如，具有类似营养偏好的生物体可以在不同的生物膜中居住并获得其营养，因此可以在更大范围内共存。然而，在这些情况下，重要的是要认识到，不同的生物膜中的种群并不竞争相同的营养库，因此有不同的现实生态位。

Functional redundancy does not imply neutrality

以前的一项研究假设代谢位内的功能冗余可能反映了竞争者的准中性共存。然而，如上所述，共存的专攻同一能源的微生物不仅在其酶的效率和生长动力学方面通常有所不同，而且在特定条件下影响其生长速度的其他特征方面也有差异。虽然功能组成员之间的差异被普遍承认，但对于某些微生物群落组合的模式是否仍可由中性过程来解释存在争议。与宏观生态学的中性理论相类似，一项研究的作者为本地微生物群落的组装建立了一个中性模型，该模型完全基于随机移民(stochastic immigration)和生态漂移(ecological drift)(由于有限种群中出生/死亡事件的随机性而产生的波动)，同时省略了宏观生态学中性理论的一个共同要素——新物种形成(speciation)。他们得出结论，随机移民和生态漂移是塑造原核生物群落的重要因素，特别是在代谢功能群内。在这项研究之后，中性模型被用来部分解释不同环境中的微生物生物地理格局，包括动物肠道、土壤、生物反应器、树洞和生物膜。还有人认为，功能组内的生态漂移可能部分解释了物种随时间推移的更替，例如在生物反应器、地下水和溪流集水区等生态环境中。

我们强调，即使在封闭系统中，功能组内分类组成的复杂或明显的随机变化，不应混淆为生态漂移。事实上，生态漂移很少能有效地解释功能组内分类学的更替，例如在生物反应器中随着时间的推移观察到。这是因为与选择过程相比，生态漂移的重要性在大的种群规模和/或竞争者之间大的生态差异中会减少。在生物反应器和大多数自然环境中，细胞密度可以非常高(在生物反应器中高达1013个细胞/L)，以至于选择过程显然比生态漂移更有优势。事实上，中性随机出生-死亡模型预测，即使在低种群规模(104个细胞)，在一个由同等竞争者组成的群落中，一个相对罕见的生物体(1%的比例)仅仅通过生态漂移(基于1天的世代时间)平均需要1600多天才能达到30%的比例。当假设其中一种生物具有微弱的竞争优势时(预期增长率高出5%)，两个种群都密切遵循竞争排斥所预测的确定性轨迹(解释方差的部分为0.98±0.02 s.d.)。因此，即使在弱竞争差异下，漂移对种群轨迹的影响也变得可以忽略不计。我们注意到，上述的模型参数是相当保守的。事实上，微生物种群通常由104个以上的细胞组成，即使在恒定的环境条件下，观察到极其罕见的分类群(