MIMIX: A Bayesian Mixed-Effects Model for Microbiome Data From Designed Experiments

微生物群 复制 人类微生物组计划 范畴变量 贝叶斯概率 鉴定(生物学) 推论 计算机科学 生物 生态学 机器学习 人工智能 人体微生物群 统计 生物信息学 数学
作者
Neal S. Grantham,Yawen Guan,Brian J. Reich,Elizabeth T. Borer,Kevin Gross
出处
期刊:Journal of the American Statistical Association [Taylor & Francis]
卷期号:115 (530): 599-609 被引量:19
标识
DOI:10.1080/01621459.2019.1626242
摘要

Recent advances in bioinformatics have made high-throughput microbiome data widely available, and new statistical tools are required to maximize the information gained from these data. For example, analysis of high-dimensional microbiome data from designed experiments remains an open area in microbiome research. Contemporary analyses work on metrics that summarize collective properties of the microbiome, but such reductions preclude inference on the fine-scale effects of environmental stimuli on individual microbial taxa. Other approaches model the proportions or counts of individual taxa as response variables in mixed models, but these methods fail to account for complex correlation patterns among microbial communities. In this article, we propose a novel Bayesian mixed-effects model that exploits cross-taxa correlations within the microbiome, a model we call microbiome mixed model (MIMIX). MIMIX offers global tests for treatment effects, local tests and estimation of treatment effects on individual taxa, quantification of the relative contribution from heterogeneous sources to microbiome variability, and identification of latent ecological subcommunities in the microbiome. MIMIX is tailored to large microbiome experiments using a combination of Bayesian factor analysis to efficiently represent dependence between taxa and Bayesian variable selection methods to achieve sparsity. We demonstrate the model using a simulation experiment and on a 2 × 2 factorial experiment of the effects of nutrient supplement and herbivore exclusion on the foliar fungal microbiome of Andropogon gerardii, a perennial bunchgrass, as part of the global Nutrient Network research initiative. Supplementary materials for this article, including a standardized description of the materials available for reproducing the work, are available as an online supplement.
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