中国土壤微生物组数据平台的构建与实现

作者：潘  恺，郭志英，刘  杰，王昌昆，宋  歌，贾仲君，潘贤章

单位：土壤与农业可持续发展国家重点实验室（中国科学院南京土壤研究所）

卷期：《土壤学报》2019年第56卷第5期

土壤是地球上最多样化的生物栖息地之一，它不仅包含了较大的生物体，如作物根系、线虫、蚂蚁或鼹鼠等，还包含了大量的细菌和真菌等微生物群体。每克土壤中微生物细胞就可能有数十亿，微生物物种可高达数万。但是传统的实验室培养法分离鉴定的土壤微生物种类数量较少。根据国际原核生物分类学委员会资料，平板培养法仅发现原核种类7000多种。近年来，高通量测序等新技术的快速发展，为大规模、快速、准确、全面认识土壤微生物多样性提供了技术保障，同时也促进了微生物领域专业数据库和参考数据库的发展。国际上已经建成了一些具有影响力的土壤微生物组数据管理及分析的平台。但它们大多数聚焦于数据存储、管理、访问、注释等基础性服务，数据过分单一，缺乏环境背景数据，对土壤微生物地理等研究很难提供有效的支撑。

2014年开始，中国科学院实施了战略性先导科技专项（B类）“土壤–微生物系统功能及其调控”，该项目的研究目标之一是构建服务于我国土壤微生物组研究的专业数据集成和分析平台。本研究在整合土壤微生物数据及不同尺度土壤环境因子数据的基础上，借助空间数据库技术、网络地理信息系统（WebGIS）技术，设计并构建了包含土壤及微生物数据集成、数据可视化和区域空间制图等功能的中国土壤微生物组数据平台（图1）。

图1 中国土壤微生物组平台首页

平台收集整合的数据资源主要包括：土壤微生物组数据及环境因子数据（图2）。其中，土壤微生物数据主要来源于专项实施中产生的海量土壤微生物数据，包括微生物组成和丰度数据、微生物多样性数据和测序序列数据；而环境因子数据涵盖不同分辨率多尺度的土壤类型因子、土壤理化因子、气候环境因子、地形环境因子、生物环境因子、人为因子等土壤微生物栖息环境有关的数据。数据库实现的技术路线采用了PostgreSQL数据库代替传统的“关系型数据库 ArcSDE”模式，该方案具备可扩展性强、功能完善、兼容性好、存取效率高等优势，更适应于土壤微生物组数据的管理。

图2 平台数据资源体系

本平台设计并实现了数据管理、数据可视化、数据分析、用户管理四部分功能模块（图3），并通过示例数据展示了数据集成整合、可视化分析、空间制图等平台核心功能。

图3 平台功能模块

图4 平台空间分析及可视化示例

目前平台已开放试运行，用户通过简单注册登陆即可使用。随着数据资源及功能的不断丰富和完善，该平台将进一步推动我国土壤微生物组数据的标准化整合，并为整合数据的充分挖掘利用提供支撑。