一种评估物种优势度的方法及在濒危物种监测和人体菌群相关疾病诊断和风险预测中的应用技术

本发明专利技术涉及生态群落在群落水平和物种水平优势度的评价，主要发明专利技术一种能够在群落和物种水平上综合统一评估优势度的概念和方法，用于宏观生态群落中濒危物种的监测和微生物群落中人体菌群相关疾病的诊断和发生风险预测。发明专利技术人定义了群落水平上的优势度指数、物种水平上的物种优势度距离、物种优势度指数。此三项指数均采用统一的数学概念和方法定义，可以用于评估各种生物(生态)群落(包括宏观生态群落、如热带雨林，和人体微生物菌群群落)在各种时间和(或)空间尺度的优势度。说明书以女性生殖道微生物菌群(群落)为例，应用优势度指数研究时间尺度上群落优势度的变化，以及群落中各个物种的优势度，并比较同一物种在不同群落(空间尺度)中优势度的差异。

【技术实现步骤摘要】
一种评估物种优势度的方法及在濒危物种监测和人体菌群相关疾病诊断和风险预测中的应用
本专利技术涉及生态群落物种优势度评估方法，特别是涉及一种在群落水平和物种水平综合统一评估濒危物种优势度以及微生物物种优势度的方法，并将其应用于濒危物种监测以及人体菌群相关疾病的诊断和发生风险预测和干预决策。
技术介绍
生态群落的物种多样性发生以及维持机制一直是生态学研究的核心问题，群落物种多样性的度量指数也随着研究的深入不断发展。在一个生态群落中，不同物种扮演着各自的角色，它们各自的个体数——多度(Abundance)，可以一定程度上反映出物种在群落中的生存状态。但是物种多度是一个绝对数量指标，它无法综合生态群落所有物种的生存状态对物种的多样性做出正确的评估。每个物种的多度只是衡量自身个体数量的指标，它受到很多因素影响，使得同一物种在不同群落中的生存状态无法相互比较。多度高的物种不一定在群落中占有优势，而多度低物种在群落中也不一定处于劣势。因此需要一个可靠的综合指标评价物种在群落中各个尺度上的优势度。在微生物群落中，对微生物物种优势度的评估可以对人体疾病进行诊断和发生风险预测。人体时时刻刻被微生物所包围，人体各个部位诸如：肠道、口腔、皮肤、呼吸道、生殖道等含有大量共生菌群，它们与人体的健康和疾病息息相关。人体各个部位成千上万种微生物携带了大量的基因信息，它们的携带的基因数量甚至超过了人体自身的基因数量。自2001年来，“人类基因组计划”的完成极大的促进了测序技术的飞速发展，测序技术已被应用于生命科学研究的各个领域。宏基因组测序技术就是针对微生物菌群的测序方法，该方法使得对海量的微生物进行物种鉴定和遗传信息分析成为可能。2007年，美国国立卫生研究院发起“人类微生物研究计划(HMP)”，旨在研究人体微生物菌群的组成及其对人体疾病的影响。2016年5月，美国白宫宣布启动“国家微生物组计划”，2016年10月，中国科学院组织相关专家筹备论证开展中国的微生物组计划，专利技术人受邀参加本次会议。可以预见，对微生物尤其是人体微生物群落的研究将会成为热点领域。通过比较人体微生物群落各个物种的优势度，能够找出疾病和健康人群中各自的优势物种，从而为菌群相关疾病的诊断和发生风险预测提供靶点。基于人体微生物16srRNA测序技术，可以大规模研究人体微生物群落的物种组成、物种优势度和分布结构。说明书以女性生殖道的微生物菌群数据为例，应用群落水平和物种水平的优势度(Dominance)指数综合统一评估各个菌群在微生物群落中的重要程度，并比较同一物种在不同群落中时间尺度上优势度的动态变化，以此研究微生物物种与人体疾病之间的关系。本专利技术的优势度指数不限于微生物群落，它适用于所有生物(生态)群落。
技术实现思路
本专利技术的目的在于：提供一种全新的优势度指数(Dominance)概念和计算方法，用于在群落和物种水平上综合统一评估生态群落内部各个物种的优势度，以及同一物种在时间和空间尺度上不同群落中优势度的变化。该指数可用于监测濒危物种数量的变化，可以用于研究健康人群和菌群相关疾病的患者在微生物群落物种组成、结构之间的差异，以此为菌群相关疾病的诊断和发生风险预测提供靶向微生物。本专利技术采用的技术方案为：基于Lloyd提出的“平均聚集度”概念，专利技术人提出全新的优势度指数概念和方法，具体推到过程如下：1967年Lloyd提出的用于衡量种群分布集中度的“平均聚集度(MeanCrowding)”m*为：其中m为种群所有区域个体的平均值，σ2为种群在各个区域个体的方差。专利技术人将平均聚集度指数概念由种群水平推广到群落水平(公式2)，并定义如下三项新指标(公式3-5)。首先定义用于衡量群落中物种分布的聚集程度或均匀程度，则生态群落的平均聚集度其中mc表示群落中所有物种多度(Abundance)的平均值，为相应的方差。由此群落水平的物种分布聚集度或均匀度定义为：该指数为群落水平的优势度，用于衡量物种多度分布的异质性，根据这个指标可以比较各个群落物种多度分布的差异。接下来，根据群落水平的聚集度以及各个物种的多度定义物种优势度距离(Speciesdominancedistance)该指数范围的是(0，+∞)，最后根据物种优势度距离定义群落中物种优势度指数(Speciesdominanceindex)Ds综合公式(1)-(5)，使用三个优势度指数评估群落和物种的优势度：1)群落水平的优势度Dc，比较不同群落在时间和空间尺度上优势度；2)物种水平的优势距离Dsd.用于比较同一群落中所有物种的优势度，以及同一物种在不同群落中优势度的差异。3)物种优势度指数Ds，用于比较同一群落中所有物种的优势度，以及同一物种在不同群落中优势度的差异。本专利技术的效果在于：专利技术了一种用于综合统一评估群落水平和物种水平在空间和时间尺度上物种优势度的指数，并将其应用于生态群落中濒危物种的监测和人体疾病诊断及发生风险预测和干预决策。附图说明图1为女性生殖道微生物群落中群落水平的优势度指数(黑色点)和三个物种(L.iners(红色点)，L.jensenii(绿色点)，Staphylococcus(黄色点))的物种水平的优势度指数，在极坐标体系下的动态变化图中，同心圆的半径表示优势度指数的值，同心圆各个扇区表示#400人的29次取样编号，即#400的29个微生物群落在时间序列过程中的动态变化图。从图1中可以看出，黑色点和红色点几乎重合，即群落水平的优势度指数和L.iners的物种优势度指数形似，即在每个群落中L.iners的优势度一定程度上可以代表群落的优势度。同一种颜色的点在处于不同半径的圆形内，表示同一物种在29个群落中优势度指数的变化。在同一经线上不同颜色的点，它门位于不同半径的圆形内，表示同一群落中不同物种优势度指数的差异。黑色点大部分时间与红色点几乎重叠，表明群落优势度几乎被红色物种(L.inners)“控制”。然而，这一控制权是动态的，并可能随时间转移变化，例如黑色点有时与优势度处于第三位的黄色点近乎重叠。这里显示专利技术新方法揭示了三个物种在控制群落优势度的动态三角关系，当然新方法所能揭示的并不限于此例所显示的三角关系。具体实施方式如前所述，以女性生殖道微生物群落的物种组成为例，对女性生殖道的微生物连续采集三个月(每二到三天采集一次)，提取样本中微生物的16srRNA，并进行测序，以此鉴定每个样本中微生物的种类和数量，得到女性生殖道在三个月时间内微生物群落组成和结构的动态变化数据。根据公式(1)-(5)计算群落优势度、物种优势度距离和物种优势度指数。表1是用女性生殖道连续三个月的微生物宏基因组采样数据计算出的群落优势度指数、物种优势度距离。选取物种多度(Abundance)最高的三个物种，多度中间的两个物种，多度最低的两个物种本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种应用优势度指数(Dominance)综合统一评估群落水平和物种水平物种优势度的方法。

【技术特征摘要】
1.一种应用优势度指数(Dominance)综合统一评估群落水平和物种水平物种优势度的方法。2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：优势度指数包括群落水平的优势度指数，物种优势度距离，物种优势度指数。三项指数基于统一的数学概念和方法。3.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：评估不同群落之间的群落水平的优势度在各种时空尺度的差异。4.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：针对生态群落，评估生态群落内不同物种优势度之间的差...

【专利技术属性】
技术研发人员：马占山，李连伟，
申请(专利权)人：中国科学院昆明动物研究所，
类型：发明
国别省市：云南,53