Функциональные молекулярные экологические сети

Биоразнообразие и его реакция на изменения окружающей среды имеют центральное значение для экологии и общества. Практически все исследования биоразнообразия микроорганизмов сосредоточены на видовом богатстве и численности, но не на взаимодействиях между видами. Хотя сетевой подход позволяет эффективно описывать экологические взаимодействия между видами, определение структуры сети в микробном сообществе представляет собой серьёзную проблему. Кроме того, стимулирующее влияние повышенной концентрации CO₂ (eCO₂) на рост растений и первичную продукцию хорошо изучено, тогда как её воздействие на подземные микробные сообщества, особенно на взаимодействия между микроорганизмами, исследовано недостаточно. На основе данных высокопроизводительной гибридизации микроматрицы функциональных генов почвенных микробных сообществ, полученных в ходе длительного эксперимента FACE (обогащение свободной атмосферы CO₂) на травянистой экосистеме, была разработана концептуальная схема выявления функциональных молекулярных экологических сетей с использованием теории случайных матриц. Результаты показывают, что теория случайных матриц эффективна для выявления функциональных молекулярных экологических сетей в микробных сообществах. Функциональные молекулярные экологические сети как при повышенной, так и при фоновой концентрации CO₂ (aCO₂) обладали общими характеристиками сложных систем: безмасштабностью, свойством малого мира, модульностью и иерархичностью. Однако топологические структуры функциональных молекулярных экологических сетей существенно различались при eCO₂ и aCO₂ на уровне сообществ в целом, отдельных категорий и групп функциональных генов, а также функциональных генов и последовательностей. Это указывает на то, что повышенная концентрация CO₂ резко изменяет сетевые взаимодействия между различными функциональными генами и популяциями микроорганизмов. Такое изменение структуры сети также достоверно коррелировало с геохимическими параметрами почвы. Таким образом, выявление сетевых взаимодействий в микробных сообществах и их реакции на изменения окружающей среды имеет принципиальное значение для микробной экологии, системной микробиологии и изучения глобальных изменений.