研究人員已經(jīng)找到了一種方法，通過使用機(jī)器學(xué)習(xí)快速查看細(xì)菌的基因組來預(yù)測細(xì)菌的環(huán)境pH偏好。在科羅拉多大學(xué)博爾德分校(University of Colorado Boulder)專家的帶領(lǐng)下，新方法有望幫助指導(dǎo)生態(tài)恢復(fù)工作、農(nóng)業(yè)，甚至與健康相關(guān)的益生菌的開發(fā)。
“我們知道，在任何環(huán)境中，都有大量具有重要生態(tài)功能的細(xì)菌，但它們的環(huán)境偏好往往仍然未知，”環(huán)境科學(xué)研究合作研究所(CIRES)研究員，生態(tài)學(xué)和進(jìn)化生物學(xué)教授Noah Fierer說。“我們的想法是使用這種技術(shù)來弄清楚它們自然歷史的基本知識。
了解某些細(xì)菌是否最有可能在酸性，中性或堿性環(huán)境中茁壯成長只是第一步，CIRES訪問學(xué)者Josep Ramoneda說。“你可以使用這種方法來預(yù)測微生物將如何適應(yīng)幾乎任何環(huán)境變化，”他說。例如，海平面上升正在將更多的咸水帶入沿海濕地。“我們可以預(yù)測微生物將如何應(yīng)對這些環(huán)境變化，”Ramoneda說。
這項(xiàng)新工作于今天(28月<>日)發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》雜志上，合著者包括來自CIRES和CU Boulder的其他人以及來自加拿大的同事。
微生物，包括細(xì)菌，對生態(tài)系統(tǒng)的運(yùn)作至關(guān)重要;幫助植物生長，實(shí)現(xiàn)湖泊中的養(yǎng)分循環(huán)，甚至支持人類消化。但通常，它們不可能在實(shí)驗(yàn)室中分離和生長，所以我們通常對它們知之甚少，Ramoneda和Fierer說 - 除了它們的基因組成。近幾十年來的遺傳“捕魚”技術(shù)導(dǎo)致了細(xì)菌基因組數(shù)據(jù)庫的指數(shù)級增長。
因此，研究小組利用了科學(xué)家對一些細(xì)菌群體的了解，這些細(xì)菌群體在一種特定的pH值下茁壯成長，然后使用機(jī)器學(xué)習(xí)將這些群體的環(huán)境pH偏好與它們的基因組成聯(lián)系起來。這項(xiàng)工作涉及從近250，000個(gè)土壤，湖泊和溪流樣本中對超過1，500種細(xì)菌的基因組進(jìn)行分類。
“我們發(fā)現(xiàn)我們可以僅根據(jù)基因組數(shù)據(jù)推斷他們的pH偏好，”Ramoneda說。對于科學(xué)家來說，這一發(fā)現(xiàn)最直接的影響之一是，它可以幫助他們培養(yǎng)他們以前從未能夠培養(yǎng)的挑剔細(xì)菌菌落，讓他們首先猜測使用什么pH值。Fierer說，弄清楚如何“培養(yǎng)”細(xì)菌可能需要數(shù)年時(shí)間，以便可以在實(shí)驗(yàn)室中研究它們，機(jī)器學(xué)習(xí)方法可以使這一過程更加高效。
Ramoneda說，農(nóng)業(yè)和林業(yè)專家還經(jīng)常添加活細(xì)菌，為生長中的植物“接種”有用的細(xì)菌群落。現(xiàn)在，他們可能會(huì)更快、更好地了解可能有助于恢復(fù)原生草原與松樹林的細(xì)菌類型，或者通過確保接種劑適應(yīng)當(dāng)?shù)氐膒H值來更好地種植玉米或大豆。
接下來，研究小組計(jì)劃嘗試深入了解細(xì)菌的溫度偏好，這是另一個(gè)可能涉及許多基因的復(fù)雜系統(tǒng)。例如，這可以幫助他們更好地了解變暖將如何影響土壤細(xì)菌群落。
“另一種選擇是嘗試在實(shí)驗(yàn)室中種植它們，這很痛苦，”Fierer說。
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