近日，藥學(xué)院萬(wàn)年峰課題組，聯(lián)合我國(guó)、英國(guó)、德國(guó)的科研人員，在Cell新子刊—Cell Reports Sustainability上以Articles形式發(fā)表了題為“Understanding biodiversity effects on trophic interactions with a robust approach to path analysis”的原始創(chuàng)新研究成果。
路徑分析（path analysis），也被稱(chēng)為“中介分析”（mediation analysis），是揭示研究對(duì)象中不同因素之間的相互關(guān)系及其影響機(jī)制的一種常見(jiàn)重要工具。然而，在生態(tài)大數(shù)據(jù)背景下，由于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)多樣，不同研究所得數(shù)據(jù)往往存在較大差異。一般情況下，科研人員習(xí)慣于運(yùn)用結(jié)構(gòu)方程模型（Structural Equation Modeling，SEM）進(jìn)行路徑分析，但SEM分析異質(zhì)性數(shù)據(jù)時(shí)容易產(chǎn)生偏倚。相比于SEM，經(jīng)典的多元貝葉斯方法雖然更具魯棒性（Robustness），但受限于算法復(fù)雜度大，在分析大規(guī)模數(shù)據(jù)時(shí)，貝葉斯計(jì)算效率低下、運(yùn)算時(shí)間耗費(fèi)大、占據(jù)CPU內(nèi)存大。該研究提出了一種全新的路徑分析方法——VB-RobM（Variational Bayesian Robust Mediation analysis）；該方法融合了貝葉斯推斷與SEM的優(yōu)勢(shì)，不僅提高了對(duì)數(shù)據(jù)異常值的魯棒性，減少了估計(jì)偏倚，還降低了參數(shù)估計(jì)的計(jì)算成本，所需內(nèi)存更小，計(jì)算結(jié)果更加精準(zhǔn)。此外，VB-RobM 進(jìn)一步拓展了路徑分析功能，使其能夠檢驗(yàn)不同因素之間的關(guān)聯(lián)是否由潛在的中介變量驅(qū)動(dòng)，為解析復(fù)雜系統(tǒng)中多因子的因果關(guān)系提供了更強(qiáng)大的工具，方便應(yīng)用到自然科學(xué)、工程技術(shù)科學(xué)、人文社會(huì)科學(xué)、醫(yī)學(xué)科學(xué)、農(nóng)業(yè)科學(xué)等眾多領(lǐng)域。
圖1 VB-RobM方法的流程圖
具體來(lái)說(shuō)，VB-RobM 方法包括以下五個(gè)步驟：（1）輸入數(shù)據(jù)并指定變量之間的路徑；（2）利用回歸分析獲得每條路徑的路徑系數(shù)和回歸殘差的初始估計(jì)；（3）通過(guò)狄利克雷過(guò)程混合模型（DPMM）估計(jì)殘差的密度函數(shù)以及穩(wěn)健函數(shù)的一階矩和二階矩；（4）求解魯棒估計(jì)方程獲得路徑系數(shù)的二階段估計(jì)；（5）通過(guò)自助抽樣法對(duì)中介效應(yīng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)推斷。
圖2 通過(guò)模擬研究比較各方法在不同場(chǎng)景下的表現(xiàn)
在模擬研究中，VB-RobM 在不同模擬場(chǎng)景下均展現(xiàn)出更低的參數(shù)估計(jì)偏倚、更優(yōu)的置信區(qū)間覆蓋率以及更短的計(jì)算時(shí)間。這表明，相較于傳統(tǒng)的 SEM 方法，VB-RobM 具有更高的估計(jì)精度和更強(qiáng)的魯棒性；而相比多元貝葉斯方法，它在保證準(zhǔn)確性的同時(shí)大幅提升了計(jì)算效率。
圖3 VB-RobM解析植物多樣性可通過(guò)增強(qiáng)天敵、抑制植食性昆蟲(chóng)促進(jìn)植物生產(chǎn)力的路徑機(jī)制
通過(guò)VB-RobM分析各營(yíng)養(yǎng)級(jí)功能群之間的關(guān)系，得到如下結(jié)果：（1）在無(wú)天敵的作用下，植物多樣性能夠抑制植食性昆蟲(chóng)，使其危害降低，而植食性昆蟲(chóng)下降促進(jìn)了植物的產(chǎn)量與品質(zhì)；（2）在植物、植食性昆蟲(chóng)、天敵共存的三營(yíng)養(yǎng)級(jí)功能群中，多樣化的植物增加了天敵多樣性，增強(qiáng)了天敵對(duì)植食性昆蟲(chóng)的控制效果。后續(xù)的路徑分析進(jìn)一步驗(yàn)證了植物可能通過(guò)“植物多樣性→植食性昆蟲(chóng)→植物生產(chǎn)力”“植物多樣性→天敵→植食性昆蟲(chóng)→植物生產(chǎn)力”這兩條路徑間接地提高植物生產(chǎn)力。這些結(jié)論也驗(yàn)證了萬(wàn)年峰課題組近些年提出的營(yíng)養(yǎng)級(jí)聯(lián)動(dòng)理論（Nature Plants, 2020）、聯(lián)動(dòng)鏈理論（Current Biology, 2024a）、下行控害假說(shuō)（Nature Communications, 2022）、天敵假說(shuō)（Journal of Applied Ecology, 2022）等生物多樣性控害理論。
圖4 VB-RobM與其他方法在統(tǒng)計(jì)性能上的比較
萬(wàn)年峰與復(fù)旦大學(xué)生物統(tǒng)計(jì)學(xué)系胡躍清教授為共同通訊作者，復(fù)旦大學(xué)生物統(tǒng)計(jì)學(xué)系王昱泉博士生為第一作者，復(fù)旦大學(xué)上海數(shù)學(xué)中心施大鵬博士生為第二作者，德國(guó)波恩大學(xué)Christoph Scherber教授、英國(guó)生態(tài)學(xué)和水文學(xué)中心Ben A. Woodcock高級(jí)研究員為共同作者。該研究得到了國(guó)家高層次青年人才項(xiàng)目、上海市科技創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃國(guó)內(nèi)合作項(xiàng)目等項(xiàng)目的資助。
萬(wàn)年峰課題組長(zhǎng)期從事利用生物多樣性控害研究，近期代表性論文以通訊/一作作者發(fā)表于Cell Reports Sustainability、Nature Plants、Nature Communications （2篇）、Current Biology （2篇）、iScience等CNS系列期刊以及Journal of Applied Ecology、eLife、Agriculture Ecosystems & Environment （2篇）、Ecological Indicators （4篇）、Journal of Cleaner Production （3篇）、Journal of Pest Science （2篇）、Pest Management Science （3篇）等中科院一區(qū)學(xué)術(shù)期刊上。
論文銜接：https://www.cell.com/cell-reports-sustainability/fulltext/S2949-7906（25)00058-8
