Prediction and control of multi-species systems: 10000-microbiome experiments
| Project/Area Number |
20K20586
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Challenging Research (Pioneering)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Review Section |
Medium-sized Section 45:Biology at organismal to population levels and anthropology, and related fields
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
東樹 宏和 京都大学, 生命科学研究科, 教授 (60585024)
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| Project Period (FY) |
2020-07-30 – 2024-03-31
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| Project Status |
Completed (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥25,870,000 (Direct Cost: ¥19,900,000、Indirect Cost: ¥5,970,000)
Fiscal Year 2022: ¥8,710,000 (Direct Cost: ¥6,700,000、Indirect Cost: ¥2,010,000)
Fiscal Year 2021: ¥7,930,000 (Direct Cost: ¥6,100,000、Indirect Cost: ¥1,830,000)
Fiscal Year 2020: ¥9,230,000 (Direct Cost: ¥7,100,000、Indirect Cost: ¥2,130,000)
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| Keywords | 時系列 / 生態系 / 微生物叢 / 時系列動態 / 生物群集 / 微生物 / 生物間相互作用 / 群集動態 / 代替安定性 / 群集の安定性 |
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| Outline of Research at the Start |
微生物学・ゲノム科学・分析化学・生態学・数学を融合し、微生物群集（微生物叢）の動態を予測・制御する科学的アプローチを確立する。
多数の種で構成されるシステムの制御は、これまで不可能とされてきた。しかし、これまでの予備研究で開発した技術を応用すれば、生物叢動態の予測と制御に関する基盤技術を世界に先駆けて構築できると期待される。生物叢の動態をほぼリアルタイムに予測する分析システムと時系列分析に関する理論生態学・数学を融合し、生物群集や生態系を科学的に制御できる研究対象へと昇華させる。
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| Outline of Annual Research Achievements |
微生物共培養実験系や水圏微生物叢を対象として得られた時系列サンプルのDNAメタバーコーディングデータを分析し、その動態の多様性に関する考察を行った。「代替安定状態」（alternative stable states）とみなせるような群集構造間の急激なシフトが、共培養実験系や人工環境下の複雑微生物叢の動態にみられることが前年度までの研究成果でわかっていたが、そうした「レジームシフト」（regime shift）の背後で何が起こっているのかについての考察を深めた。まず、ショットガン・シーケンシング（shotgun sequencing）を基にしたメタゲノム解析で、metagenome-assembled genomes (MAGs) を各時系列サンプルにおいて推定することで、群集を構成する各細菌種がもつ遺伝子のレパートリーを解明した。その上で、同じ時系列サンプル内に存在する細菌種間（MAGs間）において、同じ資源を求めて競争する度合いを推定した。群集内の総当たりでペア間の遺伝子重複度を計算し、その平均値を取ることで、基本ニッチ（fundamental niche）の重複度に関する指標とした。その結果、大きな群集構造の変化の前において、遺伝子重複度から推定されたニッチ重複度が高いことがわかった。この群集構造のシフトの前後で、ショットガン・シーケンシングで検出されるMAGsの数が劇的に減少していた。一旦、多様性の低い群集構造に変化したあと、徐々に多様性が回復する傾向が観測されたが、その際も、遺伝子のレパートリーが大きく異なる種が復帰してきており、ニッチの重複度が高くなることはなかった。この結果は、「ニッチの類似限界」（limiting similarity of niches）が保たれる状態で群集の再集合が進むことを示唆しており、理論生態学的観点から非常に興味深い。
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Report
(4 results)
Research Products
(15 results)
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[Journal Article] Facilitative interaction networks in experimental microbial community dynamics2023
Author(s)
Fujita H, Ushio M, Suzuki K, Abe MS, Yamamichi Y, Yusuke Okazaki, Canarini A, Hayashi I, Fukushima K, Fukuda S, Kiers ET, Toju H (
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Journal Title
Frontiers in Microbiology
Volume: 14
Pages: 153952-153952
DOI
Related Report
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Alternative stable states, nonlinear behavior, and predictability of microbiome dynamics2023
Author(s)
Fujita H, Ushio M, Suzuki K, Abe MS, Yamamichi Y, Iwayama K, Canarini A, Hayashi I, Fukushima K, Fukuda S, Kiers ET, Toju H
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Journal Title
Microbiome
Volume: 11
Issue: 1
Pages: 63-63
DOI
Related Report
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
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