Statistically learning the functional landscape of microbial communities

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作者
Abigail Skwara,Karna Gowda,Mahmoud Yousef,Juan Díaz‐Colunga,Arjun S. Raman,Álvaro Sánchez,Mikhail Tikhonov,Seppe Kuehn
出处
期刊:Nature Ecology and Evolution [Springer Nature]
卷期号:7 (11): 1823-1833 被引量:29
标识
DOI:10.1038/s41559-023-02197-4
摘要

Microbial consortia exhibit complex functional properties in contexts ranging from soils to bioreactors to human hosts. Understanding how community composition determines function is a major goal of microbial ecology. Here we address this challenge using the concept of community-function landscapes—analogues to fitness landscapes—that capture how changes in community composition alter collective function. Using datasets that represent a broad set of community functions, from production/degradation of specific compounds to biomass generation, we show that statistically inferred landscapes quantitatively predict community functions from knowledge of species presence or absence. Crucially, community-function landscapes allow prediction without explicit knowledge of abundance dynamics or interactions between species and can be accurately trained using measurements from a small subset of all possible community compositions. The success of our approach arises from the fact that empirical community-function landscapes appear to be not rugged, meaning that they largely lack high-order epistatic contributions that would be difficult to fit with limited data. Finally, we show that this observation holds across a wide class of ecological models, suggesting community-function landscapes can be efficiently inferred across a broad range of ecological regimes. Our results open the door to the rational design of consortia without detailed knowledge of abundance dynamics or interactions. Landscapes of microbial community function inferred statistically from a broad range of datasets can predict community function on the basis on presence and absence data, without the need for abundance dynamics or interaction data.
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