ISME/多样性是问题，不是答案
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本文提供了多样性问题的一些见解，作者Ashley Shade是这个领域的牛人，在前面学习有些她文章Current Opinion in Microbiology/优先考虑植物核心微生物群成员的丰度-占有率分布。蓝色字体是我瞎写的，可自行忽略。
题目：Diversity is the question, not the answer多样性是问题，不是答案
期刊：ISME（2017）
三年均IF：9.6
作者：Ashley Shade
摘要
局部多样性（样品内或α多样性）常常被认为是微生物群落成败的一个原因。然而，多样性与群落的稳定性、生产力或可侵入性等涌现特性之间的关系则更为微妙。我认为，没有背景的多样性对支持群落模式的机制提供见解很有限。我提供了传统生态学和微生物生态学的例子来讨论常见的难题和关于样本内多样性的假设，这些常见的假设可能会阻止我们深入挖掘支持群落结果的更具体机制。我建议，多样性的测量应该作为进一步研究生态机制的起点，而不是群落结果的“答案”。
‘The rock just sits and is.’ - Albert Markovski
多样性（数量和均匀度，以及当地群落内的分类群类型）可以说是群落生态学中最基本的概念之一。生态学家报道多样性估计有很多原因，包括探寻多样性模式如何转化为生态系统功能或稳定性，或者了解多样性在空间和时间上如何变化以及为什么变化。这项研究的目的是建立对世界生态过程的认识，并找出共同的模式，最终目的是提高对普遍机制的认识和建立理论框架。一旦生态机制被理解，生态学家就会努力更好地预测、保护、调控群落，以达到预期的效果。
微生物生态学家对多样性有着特殊的兴趣，因为微生物多样性是广泛的，许多微生物群落有着几乎数不清的成员。相对于地球上描述得更好的大型动物群落，微生物群落是一个未开发和未知多样性的宝库。高通量测序方法对微生物多样性的范围和限制提供了新的见解，并激发了多样性方面的新研究兴趣，包括了解稀有微生物生物圈和微生物暗物质。高通量测序结合非培养的方法继续揭示更完整的生命树，扩大了我们对生物进化和系统发育关系的认识，生物进化和系统发育关系是由微生物谱系决定的。
随着微生物生态学中关于多样性的所有发现和兴奋，人们常常认为高多样性对群落来说是一个好的或令人满意的结果，而高多样性在某种程度上也更有利于生态。“唉，多样性不是好是坏，它只是“是””，很像Albert Markovski的摇滚乐那样。多样性是我们观察微生物群落并用统计指标衡量的一种特性，这些测量使我们能够发展假设来检验驱动这些群落动态的生态机制。多样性是生态过程的结果，而不是生态过程本身。因此，多样性测量仅具有有限的价值，因为需要很多上下文来解释。我认为多样性为比较群落提供了一个代表，也为确定群落生态学中潜在的生态前因和后果提供了一个适当的起点。同样，我建议，作为一个领域，我们抵制过分简单的将多样性作为群落结果的一个原因或暗示高多样性微生物群落在某种程度上比低多样性群落“更好”。
在这里，我探讨了有关微生物多样性的复杂性和假设，并提出了一些建议，将我们的一些常见误解转向理解多样性生态机制驱动模式。我关注的是一个地区的样本（α）多样性（表1）。
这些方面中的一个或多个被纳入到共同的多样性估计中，如香农多样性、Faith系统发育多样性等。
多样性有很多定义。你在用什么？为什么重要？
在定义和测量生态多样性方面存在着长期的挑战。一个固有的挑战是，对于一个特定的群落来说，没有普遍接受的、绝对的多样性值。将其与其他被认为具有绝对值的定量测量进行对比，这些绝对值在不同的测量方法或尺度上是可比较的。例如，无论温度是用开尔文、摄氏度还是华氏度来测量，人们都相信有一个“真实”的等值，所有的刻度都会一致。然而，多样性是相对的，并且总是受到测量方法的限制。没有人相信绝对多样性值可以通过各种方法来确定和比较：每种方法都是对一个群落的多元信息的稍微不同的还原。如果确定多样性的绝对值是可以实现的（而且很可能是不可能的），那么它将结束关于不同多样性测量的优点的争论，而将焦点转向潜在机制，从而统一群落生态学领域。
因此，“多样性”可以指考虑到群落的任何一个或多个方面的任何数量的度量。由于不存在多样性的绝对值，如前所述，每种方法都有自己的偏见和优势。对使用哪种方法缺乏具体性，充其量会导致对群落结果的混淆，或最坏的情况是过于简单化或曲解。因此，计算物种多样性的精确方法应仔细考虑，并根据科学问题从生态学或生物学角度进行论证，然后考虑所选多样性度量的优势和局限性进行解释。例如，如果在对照和处理中存在一个关于群落间系统发育宽度差异的工作假设，则可以选择一个包含有关分类群相关性信息的多样性度量。
多样性度量在设计上是灵活的，因此可以从任何类型的群落数据集中计算。由于难以观察单个微生物细胞和区分微生物类群，微生物生态学家使用许多不精确的方法来观察群落，包括细胞形态或与显微镜计数结合的探针、指纹、菌落表型和测序。每一种方法都会产生对群落不同的偏见。因此，由于方法上的差异，即使计算出相同的指标，不同研究之间的差异也往往无法直接进行比较。这导致了模糊性，并没有促进对微生物群落生态学的深入理解。这也意味着多样性本身不可能是“重要的”，因为解释需要很多语境。
（现阶段各种多样性指标各有千秋，利用多种多样性指数去衡量群落情况是一个较为稳妥一点的做法。）
多样性的诱惑：很容易计算，但我们不要忘记它的局限性
对于高通量测序数据集，分集很容易确定，部分原因可能是流行的序列分析管道会自动输出这些计算。多样性计算的简便性可能会诱使我们不加选择地报告它们，或者假设它们对我们的研究是有用的。然而，对于测序方法，有一系列关于操作分类单位定义的分析选择。分类单元是研究人员选择的适合于科学问题的任何单元（或者，正如经常发生的那样，在序列分析管道中是默认的）。这是一个重要的考虑因素，因为操作分类学单元定义将影响我们对多样性的看法，并且一些操作分类学单元定义方法持续夸大或低估观察到的分类单元数量，这直接影响多样性计算。（前面学习中用16srRNA基因得出的分类与宏基因组数据有一些明显的不同，Genome Biology/前人栽树 后人乘凉）
另外，非培养方法也会导致固有的多样性偏见。多样性指标可能被不活跃或休眠的有机体的DNA放大。DNA提取工具可能会对某些群体的裂解物产生偏见，使它们在群落中的代表性出现偏差（例如，革兰氏阳性菌）。共提取遗物或taphonomic DNA会高估多样性。扩增子测序中也存在引物偏差，这可能会通过忽略或低估某些微生物谱系而低估多样性。对于一些标记基因，如16S核糖体RNA基因，细菌和古细菌分类群可能具有非常不同的拷贝数，这使我们对它们对群落的相对贡献的看法复杂化。对于富含类群的微生物群落，如土壤，尤其是高度不均匀的、由少数非常丰富的类群控制的丰富群落，对群落取样不足是另一个考虑因素。增加采样群落生成的序列的数量导致多样性估计的持续增加，在非参数估计器的性能方面具有特殊的敏感性，该估计器基于单重和双重的数量外推绝对群落多样性。
当然，没有什么方法是没有偏见的。然而，由于我们观察群落的方法不精确，微生物多样性的计算特别有许多偏差，因此可以认为是粗略的近似。在进行多样性比较之前，应努力使样本之间的偏差标准化，即使如此，也应谨慎地解释结果。
高多样性并不一定“更好”或“健康”
如果更高的多样性对群落来说是更好的，为什么要投入资源来理解生态机制？如果更高的多样性总是一种改进，那么我们可以通过简单地使微生物群落更加多样化来管理它们。
有无数的例子表明，在生态系统中，更高的多样性并非更有价值。举个简单的例子，雨林每公顷的植物种类比温带森林多，但并不能说明温带森林是一个不那么重要或不那么繁荣的生态系统。这两个生态系统是不同的，而且由于许多非生物或生物的原因可以进一步发现和调查。类似地，阴道微生物群落在健康女性中表现出一系列多样性，包括一些以乳酸杆菌为主的群落和其他（报告为无症状个体的20%-30%）乳酸杆菌较少但成员更为多样的群落。另一个例子是，在人源化小鼠模型中，高脂肪和低脂肪饮食具有相当水平的香农多样性、chao多样性和丰富性（尽管有不同的分类成分）。这些研究和其他研究表明，较低的多样性并不一定意味着更差的群落或生态系统，较低的多样性并不一定意味着不稳定或不“健康”的群落。
最近有一个例子，我们确实用更多和不同的多样性充盈了微生物群落来管理它们：Clostridium difficile 机会性感染后的粪便移植。并不是所有的粪便移植都是成功的，尽管明显的充盈增加了群落的多样性。如果认为多样性本身就是粪便移植在缓解Clostridium difficile感染方面成功的答案，那将是一种误解。
值得注意的是，微生物生态学家从传统生态学中借用了充满价值的术语来描述多样性，这可能是持续认为更高多样性更好的假设的历史原因之一。例如，生态学家用丰富度来指代物种的数量，用退化来描述多样性较低的群落。早在20世纪20年代（例如， Wheeler，1926年）文献中就使用了这个术语，但到了40年代（例如，Hubbs和Lagler，1949年），这个术语似乎变得更加突出。因此，微生物生态学家也许直觉地从遗留的行话中获得了价值，而没有重新考虑其价值。
（越来越多的例子表明高多样性并不一定健康或更好，在微生物群落被病原菌入侵中，病原菌入侵的成功与否更多取决于群落自身的特性，如空余生态位的情况，本地微生物群落抑制产物的生成，在较高的多样性群落中，微生物相互作用可能会产生交叉喂养，从而利于病原菌的入侵（例如前面Ecology Letters /方便植物相关微生物群落入侵），在较低多样性的微生物群落中，一些微生物也可能产生一些代谢产物直接抑制病原菌的生长，所以用微生物群落多样性高去解释更健康或者更好是不严谨甚至是不科学的，多样性高低像是个宏大的指标例如人身材的高大，人越高大只能说明看上去健康，人的健康与否需要更多的指标去衡量）
多样性只有在比较的背景下才有价值
除了在告知研究设计和方法的背景下（例如，一个群落的详尽覆盖需要多少个序列），报告一个群落有10000个或10个分类单元几乎没有生态意义。当将群落与另一种情况或感兴趣的群落进行比较，然后探寻所观察到的差异以及原因时，这种洞察力就会显现出来。这可能是在实验设计的背景下，在控制和处理条件之间，在自然或控制的环境梯度上，随着时间的推移，对干扰或压力源的反应，或在地理空间上。
（所以，现阶段微生态试验的探究的情况更好反映在实验设计上，通过精巧或者宏大的设计，排除更多的干扰因素去探究差异的原因，并总结归纳出一般结论）
比较微生物多样性，特别是为应用多层群落和功能测量时，提供了对底层过程的关键见解。例如，两组重复的产甲烷生物反应器对脉冲葡萄糖冲击的反应不同：一组反应稳定，而另一组反应性能下降。研究发现，用包括细胞形态、指纹和核糖体RNA探针这几种方法测量发现这两组微生物的组成非常不同，这使得研究人员能够更精确地研究功能稳定性的比较机制。特别是在葡萄糖冲击期间，物种较少的生物反应器有能力进行平行底物处理以保持性能。这项研究的一个重要结论是，具有较高多样性的群落在受到干扰时并不一定功能更稳定。
由于在计算多样性时存在各种细微差别，因此，在一项研究或一系列相关研究（通常由同一名研究人员）中比较多样性可以提供针对具体情况的见解和适度的进展。为了理解在空间或时间上或在许多生态系统中多样性的更大尺度模式，研究人员通常需要花费大量时间来管理用于宏分析的不同数据集，并在研究中重新定义分类单元，以使其具有最大的可比性。即使如此，由于方法上的差异，每个数据集有时也必须保持一个独立的单元，并且定量的交叉研究比较是有限的。尽管量化微生物生态学中的大尺度模式是一项挑战，但这样做的一个科学原因是为了检验传统生态学中建立的微生物群落生态学理论。计算微生物群落多样性，用与传统生态学研究直接可比的方法分析其总体格局，推动了我们对统一生态学理论的追求。例如，研究考虑了多样性的纬度梯度，以及物种面积和物种时间关系。在某些情况下，微生物多样性表现出与大型生物群落相似的大尺度模式，但在某些情况下，它们是不同的。了解微生物多样性的这些区别点，将使我们能够深入研究驱动它们模式的生态机制，并更好地将它们放在一个更广阔的生物学视野中。为了举例说明大尺度多样性模式的比较如何揭示共同的潜在生态，最近的Meta分析使用了物种丰富度、观察到的群落大小，以及大型和微生物群落的最大群落规模，以发现群落规模与其均匀度（包括优势度和稀有度）之间的普遍比例关系，其中较大的群落表现出较低的均匀度和较大的“稀有生物圈”。
（除了在测序基因序列上的不同归类，如OTU/ASV，还有分箱，还有根据一些条件下微生物相对丰度的比例划分如恒丰富/稀有类群，条件稀有/丰富，这些不同的操作对于多样性可能会有不同的看法）
最后要考虑的是，给定的多样性比较是否具有生态意义。例如，是否可以从中获得一些见解，认为酸性矿山排水群落的多样性远远低于土壤（或者有点好笑的是，哺乳动物的肠道与厨房的台面有着不同的多样性）。在这些例子中，有非常不同的生态系统，其驱动力和约束条件根本不同。我们不需要计算每一种方法的多样性，就可以得出它们为什么不同的假设。例外情况是关于特定群落成员来源追踪的问题，不同但相互联系的生态系统或区域性的元群落可能与播种彼此的多样性有关。
（在这里，前一段时间流传着不科学的言论表示只要测序就能发文章，这样的说法明显是本末倒置了，研究微生物群落多样性问题，不仅是简单描述A与B群落多样性有什么不同，更要考虑生态意义，归纳出一般结论，甚至更远更大的是要考虑能给我们研究的主体带来什么解决方案，给实际生产生活带来什么益处。关于特定群落成员来源追踪的问题，最近荷兰与中国合作的NC ：Foliar-feeding insects acquire microbiomes from the soil rather than the host plant研究发现食草昆虫微生物群落由土壤微生物群落决定，这些有相互关联系统，发现其中相互的关系以及作用机制是一件十分有意义的事情。）
如果多样性不是答案，那又是什么呢？
有许多生态机制支撑着群落多样性的模式，而且它们本身就很难被解开。最常被研究的机制是确定性过程。例如，非生物驱动力和制约因素，如环境过滤和生态系统的承载能力，限制了能够开发栖息地的生物的类型和数量。非生物扰动可能会破坏资源的可用性，并使新的生态位空间可用，推动群落的替代或比例变化。扰动有时影响到特定的成员而不是整个群落，推动选择，或从竞争或捕食中释放出来。生物相互作用也是多样性的重要驱动力，对抗性和协同性等相互作用的性质和强度可以导致复杂和非能动的多成员相互作用。因此，我们对多样性的最终理解需要的不仅仅是多样性的测量；我们还需要上下文数据和足够数量的群落观察，以便进行深思熟虑的比较，以测试关于多样性如何可能改变或不可能改变跨样本类别或梯度的特定假设。
假设一项假设性的研究使用标记基因测序来发现证据，表明某一病原体更成功地入侵了与宿主相关的微生物群落，与更高多样性的群落相比，该群落的多样性相对较低。研究人员可能会报告高多样性可以防止病原体入侵，然后将其归因于该群落潜在的高功能多样性。
需要考虑的问题是：对病原体有抑制作用的更高多样性的群落的生态如何，而多样性更低的群落呢？也许，在更为多样化的群落中，病原体有一个直接的竞争对手，或者在低多样性的群落中可能有一种病原体的互惠论者促进了它的生长。也许，多样性越高的群落pH值越低，病原菌对这种特殊的非生物驱动因子就越敏感。也许，这是因为在高多样性群落中，一部分群落成员刺激了宿主的免疫反应。或许因为更高多样性的群落处于承载能力，并且没有可供入侵病原体利用的生态位。也许，病原体通过水平基因转移，从低多样性群落的一个成员那里获得了一个有益的基因，从而提高了它的成功率。（此外，在不直接测量功能或功能潜力的情况下，从观察高多样性转向假设高功能多样性是一个概念上的飞跃。）
（这里对于群落高多样性所预示的健康提出了多种质疑，将这些质疑解释清楚才是多样性对于微生物群落研究的贡献。另外，文中提到的多样性指的是分类群上的多样性，很多时候我们把分类群上的多样性理所应当的当作会有高的功能多样性（基于形状的功能多样性），所以展现出好的性状，有些时候，分类群多样性并不一定展现出较高的功能多样性，一些类群可能会存在很多的功能重叠，而在较低多样性互拮抗的群落中可能会存在更多的功能多样性。在解释一些问题时，我们要更多的考虑功能多样性的作用Environmental Microbiology/植物发育过程中根际微生物群落功能多样性与病原菌侵染抗性的建立）
维持或改变微生物多样性的机制是多而复杂的。了解这些机制对群落结果的共同贡献对于预测、保护和管理微生物群落以及报告多样性的目标非常重要，没有潜在的假设、用于解释的上下文数据或有用的比较并不能促进我们对这些目标的理解。此外，通常认为“多样性越高越好”的假设过于简单化了复杂的机制，可能会偏离进程。我们有很多工作要做，测量多样性是丰富科学研究的第一步。多样性的测量应作为进一步研究生态机制的起点，而不是对群落结果的“答案”。
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