丰度加权的系统发育多样性测度能区分微生物群落状态并对采样深度具有鲁棒性

在微生物生态学研究中，调查 alpha（样本内）多样性最常用的方法要么是将仅基于计数的测度（如 Simpson 指数）应用于操作分类单元（OTU）分组，要么是使用经典的系统发育多样性（PD），后者未进行丰度加权。虽然确实存在在系统发育框架下利用丰度信息的 alpha 多样性测度，但它们在微生物生态学社区中并未被广泛使用。尚未探索丰度加权的系统发育多样性测度与经典离散测度相比的性能，这些测度在稀疏化（子采样）下的行为也不明确。在本文中，我们比较了各种 alpha 多样性测度在三个不同数据集中区分人类微生物组不同群落状态的能力。我们还提出并比较了一个新颖的单参数 alpha 多样性测度族 BWPD_$\theta$，它在经典系统发育多样性（PD）与 PD 的丰度加权扩展之间进行插值。此外，我们通过计算实验并推导重采样下系统发育二次熵期望的闭式解，考察了这些系统发育多样性测度对采样的敏感性。在所考虑的所有三个数据集中，丰度加权测度是区分群落状态的最佳指标。另一方面，基于 OTU 的测度在区分群落类型方面效果较差。此外，与未加权的对应测度相比，丰度加权的系统发育多样性测度对不同采样强度的敏感性较低。基于这些结果，我们鼓励使用丰度加权的系统发育多样性测度，特别是在物种界定困难的微生物生态学等情况下。