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。     

Windows下16S rRNA基因扩增子测序数据分析的简易流程

微生物组数据分析需要掌握Linux系统操作,这对缺乏计算机知识的生物研究人员是一个很大的障碍。为此我们设计了一套在Windows的Linux子系统(WSL)下分析16S rRNA基因扩增子高通量测序数据的简易流程。本流程整合常用的开源软件VSEARCH与QIIME等,能对16S rRNA测序数据进行质量控制、OTU聚类、多样性分析及结果可视化呈现。以唾液微生物组分析为例,详细介绍从原始数据到多样性统计分析过程的参数和命令,及结果解读。教学实践证明,此流程易于学习,并有助于掌握微生物组的基本概念与方法。利用Windows系统最新的WSL功能,本流程方便Windows用户使用大量在Linux上运行的生物信息工具,有助于促进微生物组研究的发展。流程的安装程序与测序数据可从网址(http://www. ligene. cn/win16s/)免费下载使用。     

PCR反应条件对16S rRNA基因扩增子测序准确性的影响

【背景】16S rRNA基因扩增子测序技术是一种不依赖培养而获得样本中细菌种群结构、相对丰度等信息的方法。高通量测序技术实验步骤较多,每一步骤细微的差别都可能在最终的测序结果中放大,并造成测序结果与实际情况的偏差。【目的】基于MiSeq测序平台,探讨PCR反应体系中扩增引物序列、退火温度、模板起始量、扩增循环数和变性时间等5个因素对16S rRNA基因测序结果的影响。【方法】对mock DNA的16S rRNA基因扩增子进行测序,分别分析不同的扩增引物、退火温度、模板起始量、循环数和变性时间对数据准确性的影响。【结果】不同的扩增引物对检测结果有较大的影响,采用的4组引物中,引物B (V3–V4,341F/806R)的准确性最好,引物A(V3–V4,341F/805R)次之。比较不同退火温度(52、55和60℃)对检测准确性的影响,退火温度60℃的结果最接近理论值。模板起始量(2、10和50 ng)的检测结果显示,mock DNA起始量为2ng的结果准确性最高。相较于其他3组(15+18、25+8和30+8),循环数为(20+8)的检测结果最接近mock DNA的理论值。不同变性时间(3...     

基于16S rRNA基因扩增子测序分析日本囊对虾肠道菌群结构与功能的特征

【背景】肠道菌群在对虾的生理活动中起关键作用。日本囊对虾是我国海水养殖虾类中的主要品种之一,迄今为止有关其肠道菌群结构与功能的研究还鲜有报道。【目的】利用高通量测序技术探究日本囊对虾肠道菌群的组成结构与功能作用,揭示虾体肠道菌群与外源菌群结构间的相关性。【方法】60 d的养殖周期结束后,分别采集日本囊对虾肠道样品(归为虾肠组,n=3)、养殖水体样品(归为水体组,n=3)和对虾饲料样品(归为饲料组,n=3),提取各样品总DNA进行16SrRNA基因扩增子测序,基于生物信息学方法分析与比较样品间的菌群结构特征,并使用PICRUSt软件预测日本囊对虾肠道菌群功能。【结果】3组样品测序共获得822 713条有效序列,抽平处理后可聚类为3 416个OTU。虾肠组样品中有28.49%、59.30%的OTU可以依次在水体组、饲料组样品中检测到。门水平上,虾肠组样品中的优势菌门为变形菌门(Proteobacteria)、拟杆菌门(Bacteroidetes)、厚壁菌门(Firmicutes)和梭杆菌门(Fusobacteria)。水体组、饲料组与虾肠组样品中的优势菌门结构不尽相同,但均由变形菌门和拟杆菌门组成。属水平上,虾肠组样品中的优势菌属包括弧菌属(Vibrio)、另类弧菌属(Aliivibrio)、假交替单胞菌属(Pseudoalteromonas)、假黄棕杆菌属(Pseudofulvibacter)、科尔韦尔氏菌属(Colwellia)、小纺锤状菌属(Fusibacter)、发光杆菌属(Photobacterium)、脱硫弧菌属(Desulfovibrio)、嗜冷杆菌属(Psychrobacter)以及弓形杆菌属(Arcobacter)。水体组和饲料组中检出的核心菌属结构与虾肠组相比有明显差异,其中海命菌属(Marivita)和假单胞菌属(Pseudomonas)分别为养殖水体及对虾饲料样品中的最优势菌属。PICRUSt预测结果显示,日本囊对虾肠道菌群的基因功能主要与新陈代谢类功能有关,包含氨基酸代谢、碳水化合物代谢与能量代谢等。【结论】日本囊对虾肠道菌群与其他种类对虾肠道菌群的结构间存在共性,其形成在一定程度上受到了外源菌群的干预,并在虾体的日常代谢活动中发挥了一定的作用。     

菌群16S rRNA基因测序的聚类分析方法研究进展

16S核糖体RNA（16S rRNA）基因测序是微生物分析的重要手段。16S rRNA基因测序的原始数据复杂,存在许多误差,分析前一般需要先进行序列质量控制,即对数据进行去噪、去冗余和去嵌合,最终将质量控制后的数据分为可操作分类单元（OTU）或ASV,在OTU或ASV基础上再进行菌群的各种分析。经过多年改进,聚类方法逐渐以UPARSE、DADA2、Deblur和UNOISE3等为主流,OTU聚类已经不能满足研究的需求,而ASV聚类使得菌群分析更加准确。本文除了综述聚类方法的研究进展外,还介绍了USEARCH、MOTHUR和QIIME等多种16S基因测序分析工具软件的相关研究进展。

     

基于16S rRNA基因检测双歧杆菌的方法

本文综述了基于16S rRNA序列(16S rDNA)检测、鉴定双歧杆菌的方法。包括基因探针法、荧光原位杂交法、PCR扩特异性片段法、多重PCR法、荧光定量PCR法和PCR-DGGE/TGGE法等。     

16S/18S/ITS扩增子高通量测序引物的生物信息学评估和改进

【背景】在过去的十几年里,基于核糖体RNA基因的扩增子测序技术被广泛用于各种生态系统中微生物群落的多样性检测。扩增子测序的使用极大地促进了土壤、水体、空气等环境中微生物生态的相关研究。【目的】随着高通量测序技术的不断发展和参考数据库的不断更新,针对不同的环境样本的引物选择和改进仍然需要更深入的校验。【方法】本文收集了目前在微生物群落研究中被广泛采用的标记基因扩增通用引物,包括16S rRNA基因扩增常用的8对通用引物和2对古菌引物、9对真菌转录间隔区(internal transcribed spacer,ITS)基因扩增引物,以及18S rRNA基因扩增的4对真核微生物通用引物和1对真菌特异性引物。这些引物中包括了地球微生物组计划(Earth Microbiome Project,EMP)推荐的2对16S rRNA基因扩增引物、1对ITS1基因扩增引物和1对18S rRNA基因扩增引物。采用最近更新的标准数据库对这些引物进行了覆盖度和特异性评价。【结果】EMP推荐的引物依然具有较高的覆盖度,而其他引物在覆盖度及对特定环境或类群的特异性上也各有特点。此外,最近有研究对这些通用引物进行了一些改进,而我们也发现,一个碱基的变化都可能会导致评价结果或扩增产物发生明显变化,简并碱基的引入既可以覆盖更多的物种,但同时也会在一定程度上降低关注物种的特异性。【结论】研究结果为微生态研究中标记基因的引物选择提供了一个广泛的指导,但在关注具体科学问题时,引物的选择仍需数据指导与实验尝试。     

基于16S rRNA基因高通量测序研究狞猫肠道微生物多样性

[目的]研究狞猫肠道微生物多样性特征。[方法]对7只健康成年野生狞猫（2只雄性,5只雌性;2只来自济南野生动物园,5只来自威海野生动物园）粪便微生物16S rRNA基因V3-V4区进行高通量测序,对狞猫肠道微生物多样性进行研究。[结果] 7只狞猫共获得肠道微生物16S rRNA基因V3-V4区有效序列1458741条,平均208392条,序列平均长度433 bp。通过以97%的序列相似性进行分类,获得操作分类单元（OTU）平均 233个。经序列比对和分类鉴定,这些OTU都属于细菌域,包括13个门,26个纲,43个目,75个科,119个属。其中,丰度最高的细菌门是厚壁菌门（Firmicutes,平均占61.7%）、放线菌门（Actinobacteria,12.42%）、拟杆菌门（Bacteroidetes,7.79%）、梭杆菌门（Fusobacteroidetes,7.79%）和变形菌门（Proteobacteria,7.53%）。丰度最高的科依次是消化链球菌科（Peptostreptococcaceae,平均占16.15%）,梭菌科I（Clostridiaceae_I,14.78%）,毛螺菌科（Lachnospiraceae,13.13%）,红蝽杆菌科（Coriobacteriaceae,12.31%）等。丰度最高的属是柯林斯氏菌属（Collinsella,11.44%）,艰难梭菌属（Peptoclostridium,10.91%）,狭窄梭菌属1（Clostridium_sensu_stricto_1,10.3%）,拟杆菌属（Bacteroides,7.41%）,消化链球菌属（Peptostreptococcus,5.21%）等。7只狞猫的肠道微生物中有平均15.35%的OTU没有归类到属。样本间聚类分析结果表明,来自同一动物园的样本聚为一支。[结论]本文通过高通量测序技术研究了狞猫肠道微生物的组成和多样性特征,为狞猫的救护饲养和消化生理学研究提供基础数据。     

嗜盐菌HBCC-2的16S rRNA基因测序分析及其培养特性

从连云港台南盐场海盐生产区中分离纯化到一株嗜盐古菌HBCC-2,该菌株经PCR扩增后,测定其16S rRNA基因序列,采用BLAST软件对基因库中基因序列进行同源性比较,选取其相似性序列,采用Clustalx1.8和MEGA3.1软件对其16S rDNA序列进行了系统发育分析研究,结果表明HBCC-2菌株与菌株Halorubrum sp.GSL5.48的相似性达99%,结合其形态观察及生理生化反应特性,初步确定该菌株属于嗜盐红菌属(Halorubrum),菌株HBCC-2的16S rDNA序列已登陆到GenBank,其序列号为EF687739.通过比较不同NaCl浓度、pH和培养温度对该菌株生长的影响情况,研究了该菌株的生长特性,结果表明NaCl浓度为4mol/L、温度为35℃和pH为7.0的培养条件下其生长最佳.     

16S rRNA测序技术在肠道微生物中的应用研究进展

16S rRNA测序是高通量测序依赖的肠道微生物研究方法之一,该方法可以对肠道微生物中的所有菌种进行精确定量,因此正逐渐成为研究肠道微生物菌种丰度变化的主流。肠道微生物16S rRNA测序的应用过程中有两个问题至关重要,一是如何根据需要选择测序方案;二是面对高通量测序得到的海量数据,如何进行生物信息学分析,以得到具有生物学意义的结果。从测序平台、测序片段、测序数据量的选择3个方面讨论了如何选择测序方案,并从序列聚类与注释、群落结构分析、关键分类单位的筛选与功能分析等方面对目前常用的生物信息学分析手段进行综述。     

空气环境中几种细菌检测与16S rRNA测序鉴定

采集空气环境微生物,根据菌落和革兰氏染色特征,分离5株细菌。提取分离株DNA,采用设计的16SrRNA引物扩增DNA片段;纯化PCR产物,进行测序反应并再纯化,上机读序。拼接与校对DNA序列,在NCBI网站进行Blast,鉴定细菌型别。5株菌株分别是表皮葡萄球菌、头状葡萄球菌、施氏假单胞菌、溶血葡萄球菌和大肠杆菌;其中溶血葡萄球菌是致病菌,其他4株是条件致病菌。这提示,应警惕空气环境中致病菌的感染。     

双歧杆菌地高辛标记寡核苷酸基因探针制备和应用研究

目的探讨地高辛标记寡核苷酸基因探针应用于微生态研究的可行性和实用性。方法制备双歧杆菌属和部分种的地高辛标记16S rRNA寡核苷酸探针,初步应用于微生态制剂鉴定和临床肠道微生态检测,评价寡核苷酸探针杂交在肠道微生态研究和检测中的应用价值。结果地高辛标记寡核苷酸探针具有较好的特异性与灵敏度：地高辛标记的双歧杆菌属和种的共6种寡核苷酸基因探针与标准菌株杂交后灵敏度和特异度分别为属探针95％、75％,青春双歧87．5％、90％,两歧双歧87．5％、87．5％,短双歧87．5％、92．5％,婴儿双歧75％、95％,长双歧75％、100％。结论寡核苷酸基因探针用于肠道细菌的鉴定显示出一定前景,加大探针的种类与扩大调查范围有可能使该技术替代现有细菌培养技术。