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。     

微生物分子生态学研究方法的新进展

环境中微生物的群落结构及多样性和微生物的功能及代谢机理是微生物生态学的研究热点,长期以来,由于受到研究技术的限制,对微生物的群落结构和多样性的认识还不全面,微生物的功能及代谢机理方面了解也很少.随着高通量测序、基因芯片等新技术的不断更新,微生物分子生态学的研究方法和研究途径也在不断变化.高通量测序技术改变了微生物多样性、宏基因组学和宏转录组学的研究方法,GeoChip高密度覆盖海量已知功能的基因探针于单张芯片,能快速确定微生物和已知功能基因的存在与否.总结和比较了目前最新的研究手段,并归纳了这些方法的适用性和优缺点.     

环境微生物学的组学技术应用和突破（英文稿）

由于研究环境变化和微生物群落的需要,近年来高通量组学技术得到了迅猛开发和应用.其中,基于测序和芯片技术的宏基因组学是一个关键的、最成熟的组学技术,为大多数的其它组学技术提供了支撑.相比较而言,宏转录组学、宏蛋白质组学和宏代谢组学也取得了少数的有限成功,但已经显示出可喜的潜力.所有的组学技术都有赖于生物信息学,使得后者成为组学技术应用的一个主要的技术瓶颈.这些新的组学技术对环境微生物学领域产生了革命性的影响,极大地丰富了我们对于环境微生物基因资源和功能活性的了解.     

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。     

基于整合宏组学技术认识腐生生境功能微生物区系

微生物区系在天然生境中分布广泛,利用传统纯培养等方法无法全面认识其分布和功能,因此被认为是地球上的"暗物质"。随着新一代测序技术与高分辨率质谱技术的快速发展,研究者可以在非培养条件下全面快速分析天然生境中微生物组及其动态变化,这开启了微生物组时代,使得研究地球上"暗物质"成为可能,从而改变了微生物学研究的现状。腐生生境作为生物地球化学循环的重要推动部分,因其高效降解转化有机废弃物能力而被广泛关注。腐生生境由于原料多变、环境复杂等原因未能被全面深入研究,而整合宏组学技术则为解析相关生境微生物区系的多样性及其功能动态演替规律奠定了技术基础。基于整合宏组学数据分析与环境参数的优化,可以在认识微生物组及其功能的动态水平上,针对复杂物料建立高效降解转化的绿色转化工艺,促进农牧业废弃物无害化和资源化利用进程。     

活性污泥微生物群落宏组学研究进展

活性污泥是全球最常用的废水生物处理人工生态系统,微生物是驱动其污染净化能力的关键。活性污泥微生物群落所有物种与基因(简称"微生物组")的研究先后经历了"显微镜观察和纯菌培养分离"(1915)、"PCR扩增-测序"(1994)和"高通量测序-宏组学分析"(2006)三个重要阶段的发展变迁。相应地,我们对活性污泥微生物组的认知经历了从最早对微型动物(如钟虫和轮虫)及其他微生物的形貌观察和纯种培养鉴定到今天对整个微生物组的全局多样性认识的飞跃。近13年来,基于高通量测序的宏组学方法被广泛应用于揭示活性污泥微生物群落组成结构和功能,我们现在充分意识到活性污泥微生物组蕴藏着大量不可培养新物种和基因多样性,驱动着各类污染物的降解与转化。目前,特异性分子标记基因的扩增子测序技术已经被广泛应用于揭示城市和工业废水处理活性污泥微生物组和典型功能种群(如硝化细菌和聚磷菌)的时空多样性和群落构建机制,进而为未来实现活性污泥微生物组功能的精准调控奠定理论基础。宏基因组学研究在群落、种群和个体基因组水平全面解析了活性污泥微生物组驱动的碳、氮、磷元素循环过程,以及有机微污染物的生物降解和转化机理。将来活性污泥微生物组学研究需要在"标准化的组学分析方法和绝对定量""高通量培养组学""高通量功能基因组学"和"多组学方法的结合及多种方法并用"4个方面取得实现精准生态基因组学所需的技术突破,以最大限度发掘活性污泥微生物组在污水处理与资源回收领域的生态学与工程学价值。     

宏基因组学在人和动物胃肠道微生物研究中的应用进展

人和动物胃肠道存在大量微生物群落,这些微生物是与宿主长期共同进化的结果,并且同宿主的健康和疾病密切相关,因此胃肠道微生物研究已成为当今的热点研究领域。宏基因组学技术在这一领域的应用,使我们不仅能够对胃肠道微生物群落结构及多样性进行分析,还能进一步深入了解其代谢功能,开发和利用潜在的微生物及其基因资源。文中结合我们的研究工作,综述了宏基因组学在人和动物胃肠道微生物研究中的应用,同时着重介绍宏基因组研究的生物信息学技术。     

宏基因组学及其在口腔微生物研究中的应用

宏基因组是指环境中所有微生物的遗传物质总和。宏基因组学技术可以最大限度地利用环境中的微生物资源,受到了国内外微生物研究者的重点关注。口腔中寄居着大量的微生物群落,以往对口腔疾病微生物的研究大多局限于单纯的细菌培养技术,然而,由于培养技术的局限性,部分微生物很难或根本不能培养,宏基因组学技术打破了这一局限性,帮助人类发掘更丰富的口腔微生物资源。最近,以宏基因组学测序为基础的研究描绘出了口腔生态系统的图谱,越来越多的实验证明口腔微生物组在各种口腔疾病甚至全身系统性疾病中的重要作用。同时,这也为基于人类微生物组的诊断和治疗开辟了新的途径。本综述旨在说明宏基因组学是研究人类口腔疾病及全身疾病相关微生物的得力工具,而且具有广阔的发展前景,同时也讨论了宏基因组学在应用中有待克服的局限性。     

分子生物学方法在环境微生物生态学中的应用研究进展

随着分子生物学方法的不断发展和改进,微生物在生态系统中的作用被更好的挖掘出来。目前快速发展的先进的分子生物学技术,已经开始应用于分析环境微生物的多样性、微生物的生物地理学及微生物对气候变化的响应等。一般环境微生物的研究目标主要有3个,即确定微生物的种类和多样性、微生物的功能或潜在作用及在特定时间点活跃的微生物等。然而,现有微生物的研究方法复杂多样,容易给研究者在方法的选择上带来困惑。将从微生物的多样性和功能研究两个方面介绍和分析相应的分子生物学方法,尤其是近年来快速发展的高通量测序、宏组学和单细胞水平研究方法(如纳米二次离子质谱与荧光原位杂交相结合的方法)等新技术及其应用情况,以期为研究者选择合适的研究方法进行环境微生物的研究提供依据。     

基于16S rRNA基因测序分析微生物群落多样性

微生物群落多样性的研究对于挖掘微生物资源,探索微生物群落功能,阐明微生物群落与生境间的关系具有重要意义。随着宏基因组概念的提出以及测序技术的快速发展,16S rRNA基因测序在微生物群落多样性的研究中已被广泛应用。文中系统地介绍了16S rRNA基因测序分析流程中的四个重要环节,包括测序平台与扩增区的选择、测序数据预处理以及多样性分析方法,就其面临的问题与挑战进行了探讨并对未来的研究方向进行了展望,以期为微生物群落多样性相关研究提供参考。     

Achievements and new knowledge unraveled by metagenomic approaches

Metagenomics has paved the way for cultivation-independent assessment and exploitation of microbial communities present in complex ecosystems. In recent years, significant progress has been made in this research area. A major breakthrough was the improvement and development of high-throughput next-generation sequencing technologies. The application of these technologies resulted in the generation of large datasets derived from various environments such as soil and ocean water. The analyses of these datasets opened a window into the enormous phylogenetic and metabolic diversity of microbial communities living in a variety of ecosystems. In this way, structure, functions, and interactions of microbial communities were elucidated. Metagenomics has proven to be a powerful tool for the recovery of novel biomolecules. In most cases, functional metagenomics comprising construction and screening of complex metagenomic DNA libraries has been applied to isolate new enzymes and drugs of industrial importance. For this purpose, several novel and improved screening strategies that allow efficient screening of large collections of clones harboring metagenomes have been introduced.     

Metagenomic applications in environmental monitoring and bioremediation

With the rapid advances in sequencing technology, the cost of sequencing has dramatically dropped and the scale of sequencing projects has increased accordingly. This has provided the opportunity for the routine use of sequencing techniques in the monitoring of environmental microbes. While metagenomic applications have been routinely applied to better understand the ecology and diversity of microbes, their use in environmental monitoring and bioremediation is increasingly common. In this review we seek to provide an overview of some of the metagenomic techniques used in environmental systems biology, addressing their application and limitation. We will also provide several recent examples of the application of metagenomics to bioremediation. We discuss examples where microbial communities have been used to predict the presence and extent of contamination, examples of how metagenomics can be used to characterize the process of natural attenuation by unculturable microbes, as well as examples detailing the use of metagenomics to understand the impact of biostimulation on microbial communities.     

高通量测序在病原微生物耐药方面的应用进展

高通量测序是一种高效、准确、价廉的新型测序技术,随着近年来的不断推广,逐渐进入不同的研究领域。目前,多重耐药菌的感染给患者和社会增加了巨大负担,耐药机制和抗菌药物的研发是科学研究的热点之一。高通量测序技术也开始在病原微生物耐药方面发挥了巨大作用,尤其是在耐药机制研究方面,解决了一些用现有的技术无法解决的问题。本文从病原菌鉴定、耐药机制、药物新靶标、耐药菌流行病学以及用药指导等方面阐述了高通量测序在病原微生物耐药方面的应用及进展,重点讨论了耐药机制和抗菌药物新靶标进展以及现阶段存在的问题。高通量测序技术不断发展,尤其是进入病原微生物研究领域后延伸出新的研究技术和方法,随着相关的生物信息学的进步,此项技术应用将会更加广泛。     

土壤微生物在法庭科学领域中的应用研究进展

土壤物证在法庭科学领域的应用由来已久,主要是基于其外观、颜色、元素组成、矿物学等理化特性及土壤夹杂物等的比对检验。近年来,随着高通量测序技术的发展,法医土壤微生物检验不再完全依赖于传统培养技术,而是直接挖掘分析土壤中的全部微生物DNA信息,并将这些信息应用于法庭科学领域内的样本比对、土壤物证区域环境推断和溯源研究等,从而凸显出土壤微生物物证在案件侦查和法庭诉讼方面的巨大价值和应用潜力。本文通过综述国内外有关法医土壤微生物研究的最新进展,指出了土壤微生物多样性检验在法庭科学领域的应用潜力,分析了法医土壤微生物群落多样性的影响因素,最后探讨了法医土壤微生物研究中存在的问题和未来的发展方向。     

肠道微生物与疾病关系的研究新进展- 运用454 测序技术分析

由于传统研究方法成本和速度的限制,远远满足不了对微生物群落大规模的研究,以454测序为代表的新一代高通量测序技术凭借低成本、高通量、流动自动化的优势为研究微生物的多样性和组成提供了新的技术平台。本文就近年来454测序技术在研究人体肠道微生物与疾病关系的应用进行了综述。     

肠道微生物培养的研究进展及应用

肠道中栖居着组成复杂、功能多样的微生物群,这些微生物群在宿主免疫、营养吸收、代谢调节等方面发挥着重要作用。随着测序技术的快速发展,肠道微生物研究通过16S rRNA基因测序和宏基因组测序产生了大量的数据,其中许多未组装的序列成为微生物“暗物质”。近年来,不少研究利用多种不同微生物分离培养方法,结合高通量鉴定技术,从人、小鼠、猪肠道中分离了大量的微生物,丰富了菌株资源,为解析微生物“暗物质”以及后续肠道微生物功能和应用研究提供了基础和保障。尽管微生物的可培养性受到多种因素的影响,大部分微生物尚处于“未培养”的状态,但无论是病因研究还是生理和遗传特征的解析都离不开微生物实体资源的获取。肠道微生物的分离培养对微生物研究从关联分析向菌群功能验证、因果机制解析和功能菌株开发的深入研究具有重要意义。本文旨在探讨和综述影响微生物可培养性的因素,总结回顾肠道微生物的培养方法并阐述肠道微生物培养研究的进展,以期为肠道微生物培养研究提供新的视角。