Identifying keystone species in microbial communities using deep learning

梯形物种 生态学 地理 生物 进化生物学 生态系统
作者
Xu‐Wen Wang,Zheng Sun,Huijue Jia,Sebastián Michel-Mata,Marco Tulio Angulo,Lei Dai,Xuesong He,Scott T. Weiss,Yang‐Yu Liu
出处
期刊:Nature Ecology and Evolution [Nature Portfolio]
卷期号:8 (1): 22-31 被引量:81
标识
DOI:10.1038/s41559-023-02250-2
摘要

Previous studies suggested that microbial communities can harbour keystone species whose removal can cause a dramatic shift in microbiome structure and functioning. Yet, an efficient method to systematically identify keystone species in microbial communities is still lacking. Here we propose a data-driven keystone species identification (DKI) framework based on deep learning to resolve this challenge. Our key idea is to implicitly learn the assembly rules of microbial communities from a particular habitat by training a deep-learning model using microbiome samples collected from this habitat. The well-trained deep-learning model enables us to quantify the community-specific keystoneness of each species in any microbiome sample from this habitat by conducting a thought experiment on species removal. We systematically validated this DKI framework using synthetic data and applied DKI to analyse real data. We found that those taxa with high median keystoneness across different communities display strong community specificity. The presented DKI framework demonstrates the power of machine learning in tackling a fundamental problem in community ecology, paving the way for the data-driven management of complex microbial communities.
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