基于宏组学方法认识微生物群落及其功能

进入后基因组学时代,测序技术飞速发展,测序成本明显下降,形成了涵盖宏基因组学、宏转录组学和宏蛋白质组学的宏组学技术,推动了对微生物群落的多样性、结构及潜在基因功能方面的深入研究。最近随着整合的宏组学技术的提出及应用,全面系统分析微生物群落动态变化及其代谢功能已成为可能,这将成为微生物生态学研究的新趋势。本文综述了宏组学在研究海洋湖泊、深海热泉、人体肠道、牛瘤胃生境、森林土壤与堆肥生境等环境中微生物群落的结构和功能方面的最新进展与成功应用案例。     

人体肠道细菌群落与疾病

肠道定植有100万亿细菌,这占到了人体细菌总量的绝大多数。一旦肠道菌群失调,就会产生一系列疾病。本文介绍了人体肠道细菌群落异常与5种肠道疾病和5种肠道外疾病的关系,并推荐用益生菌和益生素来治疗人体肠道细菌群落异常。为了解人体肠道细菌群落和人体健康的关系,美国国立卫生研究院已启动了人类微生物组计划,欧洲委员会也正在资助人类肠道宏基因组学项目,而中国在此项目中亦取得了可喜进步。基于肠道宏基因组的个体化医疗时代已不再遥远。     

肠道微生物功能宏基因组学与代谢组学关联分析方法研究进展

近年来基于高通量基因测序的微生物组学研究极大加深了人们对微生物与健康和疾病关系的认识。然而基因测序方法不能直接测定微生物的功能活性,难以鉴定微生物中的关键功能分子,单独使用无法回答肠道微生物何种成员通过何种方式影响宿主等关键科学问题。单一组学研究弊端尽显,多组学联用势在必行。肠道微生物代谢组学以微生物群落所有小分子代谢物为研究对象,可发现肠道微生物随宿主病理生理变化的关键代谢物,为微生物组-宿主互作机制研究提供线索,成为微生物组学研究的重要补充。肠道微生物功能基因组学与代谢组学关联分析在宿主生理、疾病病理、药物药理等方面取得众多进展,展现良好应用前景。然而目前肠道微生物功能基因组学与代谢组学关联分析存在方法滥用、相关性结论与生物学知识相悖等突出问题。为帮助正确应用肠道微生物功能宏基因组学与代谢组学关联分析,本文综述了各种多组学数据整合分析方法的原理、优缺点与适用范围,并给出了应用建议。     

昆虫肠道的宏基因组学:微生物大数据的新疆界

微生物作为自然界中普遍存在的生命体,通常以"微生物群落"的形式共存。这些物种相互协作适应环境变化的同时,也对环境产生了长期而深刻的影响。随着人类对于微生物了解的深入,微生物群落基础研究及其在健康和环境等领域的应用研究日益重要。昆虫肠道内存在种类繁多、数量庞大的微生物,一方面,这些肠道微生物种群结构的多样性与昆虫种类、龄期、消化道形式、食物的来源、环境等都息息相关。另一方面,这些菌群也对宿主的一些生理活动有着一定的影响。随着高通量测序技术、组学技术的发展,昆虫肠道宏基因组大数据挖掘和应用已经成为研究热点,极大地推动人类微生物资源利用的能力。本文概述了昆虫肠道微生物宏基因组学的发展现状和发展趋势,特别是肠道宏基因组学大数据的挖掘工具和应用,以及现阶段昆虫肠道宏基因组学的研究进展、应用、优势和瓶颈,并对今后昆虫肠道微生物组大数据研究方向进行展望。     

宏基因组学技术在痤疮研究中的应用进展

高通量测序技术的发展提高了人们对微生物组的认识。宏基因组学技术因其全面和深入的分析功能被广泛应用于各种环境微生物组的研究中,尤其在阐明各种疾病与人体微生物组的关系中,宏基因组学技术具有重要作用。痤疮作为一种常见的皮肤疾病,严重影响人们皮肤美观度和心理健康。利用宏基因组学技术挖掘皮肤微生物与痤疮的关系,将有助于痤疮发病机理的研究和临床治疗方法的改进。通过介绍宏基因组学技术的发展背景、概述及其应用研究进展,探讨皮肤微生物与痤疮的关系,综述宏基因组学技术在痤疮研究中的应用现状,并总结目前宏基因组学技术在皮肤疾病研究中存在的问题,旨在为痤疮的宏基因组研究提供参考。     

宏组学在发酵食品微生物群落研究中的应用进展

发酵食品是人类饮食的重要组成部分,深入研究其中的微生物群落结构、代谢及其活性,对于充分探索微生物资源、促进发酵食品的质量具有深远意义。目前,随着后基因组学时代的到来,测序技术的迅猛发展及其成本的降低,主要基于宏基因组学、宏转录组学,宏蛋白质组学和代谢组学在内的宏组学技术已经应用于微生物群落的多样性、结构及潜在基因功能等方面,为发酵食品潜在分子机制的研究奠定了基础。总结了在发酵食品中应用的宏组学(宏基因组学、宏转录组学,宏蛋白质组学和代谢组学)技术。随后,对奶酪、发酵酒精饮料、发酵蔬菜、发酵茶、发酵豆制品和食醋环境中微生物群落结构和功能方面的宏组学研究进行了综述,揭示了发酵食品中有益基因和生物活性物质的来源,并简单概述了这些技术的优势及其现阶段所存在的不足,旨为未来发酵食品的科学研究和工业生产提供一定参考。     

黑水虻幼虫肠道微生物的功能及组学应用

黑水虻Hemertia illucens幼虫肠道中栖息着许多种类的微生物,这些微生物与宿主之间的相互作用极为复杂,它们可以影响宿主的生长发育、繁殖能力、营养代谢、行为偏好和寿命。此外,它们还可以调节宿主的免疫系统并保护宿主免受病原体的侵害。深入了解微生物与黑水虻的互作机制,有助于优化黑水虻的生长环境,从而实现更高效的人工繁育。相关文章对微生物与黑水虻互作机理进行了总结,但这些研究方法只能提供微生物群落的结构信息,而无法揭示微生物的功能和代谢能力。因此,宏基因组学、宏转录组学、宏蛋白质组学和代谢组学逐渐被应用,这些技术除了提供关于微生物种群的完整分类,还揭示了它们的功能和代谢能力。通过了解肠道菌群的组成和功能,可以有效调整黑水虻的饲料、饲养环境和生长条件,从而提升黑水虻肠道菌群的稳定,提高黑水虻的生产性能和经济效益。     

宏基因组样本数据的分析比较与分类

宏基因组学研究试图通过测序并分析微生物群落的DNA序列,以理解环境微生物的组成及其与环境的交互作用。宏基因组学革命性地改变了微生物学,使得以免培养的方式研究复杂生物系统中的微生物群落成为可能。第二代测序技术的不断进步和生物信息学的高速发展促进了高通量宏基因组研究的发展,大批高质量的宏基因组数据不断产生并对科学界开放,宏基因组学的重要作用被科学界广泛认可。与此同时,对应个体不同健康状态和人体不同部位的大量宏基因组样本数据不断产生,使得比较和分类宏基因组样本在微生物学研究上变得更加重要,比较宏基因组学成为宏基因组学的重要分支。主要介绍了宏基因组数据的分析比较,以及样本分类的相关研究和算法。     

宏基因组学:基本策略及在医学研究领域中的可能应用

宏基因组学（metagenomics）的提出是分子生物学领域的一个重要进展。在自然生境中有大量不可培养微生物的存在,无法通过培养法进行研究,而宏基因组学的策略则突破了这一束缚。宏基因组学是从生境中取得全部微生物的基因组,并进行系统研究的方法。该文介绍宏基因组学的基本情况,并着重探讨其在医学研究领域中的可能应用。     

宏组学方法在污水处理系统中的应用进展

污水生物处理由微生物生理过程驱动,宏组学方法能够获得不同水平的分子信息,为认识污水处理系统中的微生物提供了新途径。本文对宏基因组学、宏转录组学、宏蛋白质组学与代谢组学等宏组学方法的发展进行综述,着重介绍各组学及整合宏组学在污水处理系统中的研究现状,并指出其应用前景。     

宏基因组学技术的研究与挑战

宏基因组学研究作为研究微生物种群生态分布、群体遗传特征和基因相互作用的新兴学科领域,在很大程度上促进了环境微生物资源,特别是未培养微生物资源的开发利用,在土壤、海洋、人体医学、药物等各个领域的应用中取得了突破性的进展,为发现新的生物活性物质提供了新的有效途径。就宏基因组学研究进展进行综述,并重点介绍了宏基因组学研究中的机遇及挑战。     

人类肠道菌群与疾病关系的元基因组学研究进展

人体的生理健康除受自身基因的调控外,还受到肠道菌群的影响。人体肠道内的细菌有1 000～1 150种,其中160种为优势菌种,存在不同类型的生态学相互作用。肠道细菌的300多万个基因被视为人类的"第二基因组",在正常人体健康状态下,肠道微生物种群处于平衡状态,而在宿主患病期,菌群失调或紊乱。采用元基因组学研究能在更高更复杂层次上揭示肠道菌群之间的生命运动规律。本文系统综述了元基因组学对肠道菌群与肥胖、糖尿病、炎症性肠病等疾病之间关系的研究进展。     

人类与肠道微生物的共生关系

近年来的研究发现,曾经被长期忽视的人体微生物组特别是肠道菌群,与人体的多种疾病相关联,深刻影响了疾病的治疗和临床研究,包括体重、糖尿病、免疫系统、肠道疾病、代谢疾病、炎症、心脏病、大脑神经系统等等,被认为是人体的"第二基因库",但由于大部分的肠道细菌难以在体外分离培养,对肠道菌群的进一步研究也受到了限制。随着现代分子生物技术的蓬勃发展,已解决了不可培养微生物研究的难题,使得肠道微生物的研究进入一个新的阶段。为此,我们特别邀请了禹城市人民医院、山东龙力公司等单位的专家,以连载的形式,主要从基础研究(肠道微生物的角色)、临床(肠道微生物与健康、微生物制剂与药物联用)、产业(微生态制剂的开发)等方面展开,对肠道微生态学研究及相关产业的发展进行解读。     

环境微生物的宏基因组学研究新进展

宏基因组学以环境中微生物的基因组的总和为研究对象,从而规避了传统方法中绝大部分微生物不能培养的缺陷,因此近年来在环境微生物学研究中得到了广泛应用.本文重点介绍了宏基因组学技术中关键的两类技术:即以罗氏454及Illumina为代表的高通量测序技术和以基因芯片(GeoChip)为代表的基因芯片技术在微生物研究中的应用.测序技术可以发现新物种和新基因,但由于测序深度有限,定量性差,不易发现低丰度物种,且易受污染物干扰.芯片技术很好地克服了这些局限,但不易于发现新基因.本文介绍了这些技术近年来在气候变化、水处理工程系统、极端环境、人体肠道、石油污染修复、生物冶金等方面取得的部分代表性成果.在此基础上,对宏基因组技术在环境微生物研究方面的未来发展方向提出了预判和展望.我们认为由于两种技术各自的优缺点,今后将两类技术结合起来的综合研究会越来越多.另外,由于大量数据的处理方法已成为制约宏基因组学发展的瓶颈,相应的生物信息学技术开发将是未来科研的热点和难点.     

昆虫肠道微生物及其功能研究方法进展

昆虫是世界上种类最为丰富、分布最为广泛的动物类群，其肠道内栖息着复杂且多样的微生物。不同昆虫因肠道结构、肠道内环境、食性、龄期、外界环境不同，肠道内微生物组成与丰度也存在差异。肠道微生物主要通过垂直方向与水平方向在种群与个体间传播，对昆虫宿主营养代谢、生理行为、防御、解毒等诸多方面有重要影响；通过体外培养的方法可从培养基对昆虫肠道微生物进行分离，用基质辅助激光解析电离飞行时间质谱(matrix-assisted laser desorption ionization-time of flight mass spectrometry, MALDI-TOF MS)及16S rRNA基因测序技术等可迅速鉴定微生物；宏基因组学、蛋白质组学、代谢组学等多种组学技术联合运用，使得肠道微生物鉴定与功能推测更为高效；体外试验、微生物补充、菌群移植、沉默微生物成员相关基因等试验方法使微生物功能验证更为准确；利用高温处理、溶菌酶处理、无菌饲养处理及抗生素处理等方式能清除肠道内的微生物群落，获得无菌昆虫用于功能验证试验，但当前使用最广的抗生素法在实际应用中仍存在一定局限；利用肠道微生物特性，通过共生菌基因工...     

土壤宏基因组学技术及其应用

传统的基于培养的研究方法只能反映土壤中少数(0.1%～10 %)微生物的信息,而大部分微生物目前还不能培养,因而这部分微生物资源尚难以被有效地开发利用.宏基因组学是分子生物学技术应用于环境微生物生态学研究而形成的一个新概念,主要技术包括土壤DNA的提取、文库的构建和目标基因克隆的筛选.它可为揭示微生物生态功能及其分子基础提供更全面的遗传信息,并已在微生物新功能基因筛选、活性物质开发和微生物多样性研究等方面取得了显著成果.本文对土壤宏基因组学技术的方法和应用作了详细介绍.     

宏基因组学的研究方法进展及应用概述

宏基因组学是以某一特定环境样品中的微生物群体基因组为研究对象,通过提取DNA、构建文库、文库筛选等基本流程来研究微生物多样性、进化关系以及寻找新基因等为研究目的的新的微生物学研究方法,其总体流程包括环境样品总DNA提取、宏基因组文库构建、宏基因组文库筛选三个阶段。宏基因组学做为一个崭新的技术在微生物生态学、生物酶制剂开发以及医学等方面都取得了可喜的成绩。本文将就宏基因组学的概念、技术流程和应用三个方面作简单介绍。     

肠道微生物基因组学与代谢组学分析联合应用的研究进展

随着肠道微生物对人类健康与疾病的作用日渐受到关注,肠道微生物的代谢作用已成为近年研究的热门领域之一。已有研究表明,将肠道微生物组学与代谢组学应用于宿主生理、疾病病理、药物药理等方面的研究具有重要价值。本文就肠道微生物基因组学和代谢组学分析联合应用的研究进展进行综述。     

环境微生物宏基因组学研究中的生物信息学方法

高通量测序技术的发展促进了组学技术在环境微生物研究中的广泛应用,而宏基因组学是目前最为关键和成熟的组学方法。生物信息学在微生物宏基因组学研究中具有至关重要的作用。它贯穿于宏基因组学的数据收集和存储、数据处理和分析等各个阶段,既是宏基因组学推广的最大瓶颈,也是目前宏基因组学研究发展的关键所在。本文主要介绍和归纳了目前在高通量宏基因组测序中常用的生物信息学分析平台及其重要的信息分析工具。未来几年之内,测序成本的下降和测序深度的增加将进一步增大宏基因组学研究在数据存储、数据处理和数据挖掘层面的难度,因此相应生物信息学技术与方法的研究和发展也势在必行。近期内我们应该首先加强基础性分析和存储平台的建设以方便普通环境微生物研究者使用,同时针对目前生物信息分析的瓶颈步骤和关键任务重点突破,逐步发展。     

环境微生物宏基因组学数据库利用

宏基因组学技术产生的数据是研究环境微生物的宝贵资源,国际上已有微生物计划、海洋计划、生命普查等大项目,采集和测序的样本量数以百万计,产生了海量的环境宏基因组学数据,并以此建立了几十个相关宏基因组数据库和平台。主要从以下几个方面综述环境宏基因组学的研究进展和已有资源:环境宏基因组学国际合作大项目、宏基因组学数据库和宏基因组学数据在线分析平台。将结合相应的数据库网站介绍其项目详情、样本来源、数据类型、使用方式和分析结果等,以便研究者全面了解此类数据并能快速找到和利用相关资源。