一种新的定量16S rRNA基因扩增子测序方法

近年来,16S扩增子测序技术被广泛应用于肠道微生物菌群结构和多样性研究,同时也常被用于临床样本中未知病原菌的检测.然而其对样本中物种组成的分辨率只能到属水平的相对丰度,且实验过程中多种因素皆可对结果产生一定影响,如样本起始浓度、PCR循环数、扩增引物等.为解决以上问题,本研究采用随机标签和内参法相结合的方法,开发了一套...     

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。     

基于16S rRNA基因测序的褥疮患者皮肤菌群特征研究

利用16S rRNA基因测序分析褥疮患者皮肤菌群的特征,为褥疮的预防与治疗提供新的思路。

选取江苏大学附属宜兴医院的18例住院褥疮患者为褥疮组,同时选取20例无褥疮病史的健康志愿者为健康对照组。采集两组人群的皮肤样本,并使用16S rRNA基因测序技术分析褥疮患者和健康人群皮肤菌群的物种差异。

Alpha多样性和beta多样性分析显示,褥疮患者皮肤菌群的物种数目、丰度和多样性均低于健康人群（均P＜0.05）。菌群指数分析显示,健康对照组的菌群健康指数高于褥疮组,而褥疮组患者的菌群失调指数高于健康对照组（均P＜0.05）;与此同时,褥疮组患者皮肤葡萄球菌科（Staphylococcaceae）丰度显著高于健康对照组（P＜0.05）。

褥疮患者皮肤菌群较健康人群显著紊乱,且葡萄球菌科的丰度显著增加,皮肤菌群差异可为褥疮的预防与治疗提供新思路。

     

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。     

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。     

16S rRNA基因高通量测序分析水性涂料微生物群落结构及多样性

微生物对水性涂料产品的稳定性起着重要作用,本实验以广东省某涂料厂的水性涂料为研究对象,利用16S rRNA基因高通量测序技术检测其微生物群落结构及多样性。结果表明5个水性涂料样本在97%的相似水平下共获得有效序列总数224 801,涵盖了10门16纲30目46科59属的细菌;物种组成与相对多样性由高到低依次分别为A4、A5、A1、A2和A3;水性涂料样本A1、A2和A3微生物群落结构与聚集规律较为相似,优势菌群均为类芽孢杆菌门、芽胞乳杆菌属和固氮菌;水性涂料样本A5中相对丰度为57.3%的产己酸细菌属于特异菌群。本研究解析了水性涂料中微生物群落结构、相对丰度及多样性,为建立和完善水性涂料中微生物防控体系提供理论支撑。     

分析方法对细菌群落16S rRNA基因扩增测序分析结果的影响

细菌16S rRNA基因扩增测序是当前环境微生物组学研究中应用最为广泛的方法之一。然而,测序序列最小分类单元的划分有多种方式,其对微生物多样性下游分析结果的影响还有待进一步探究。本研究通过提取5组环境样本(森林、农田、湿地土壤、湖泊沉积物和水体)的DNA进行16S rRNA基因扩增测序,对测序结果同时采用5种最小分类单元的划分方式(基于97%、98%、99%和100%序列相似性聚类的OTU以及基于DADA2算法得到的ASV)进行划分,比较分析最小分类单元划分方法对微生物群落多样性、组成、以及其与环境因子关联性分析造成的影响。结果表明,提高分类分辨率,能够获得更高的群落α多样性(Chao1和Shannon)和β多样性(P < 0.05),而相对于按序列相似性聚类的OTU,ASV方法会在一定程度上降低Chao1和PD指数。对于群落组成,分类单元的划分方式主要影响微生物组一些低丰度属(< 0.2%)的占比,而对较高的分类学水平(门水平)组成的影响较小。此外,冗余分析的结果表明,提高分类分辨率水平,能够使得环境因子对微生物群落能够获得更高的解释度,同时也会影响各环境因子对群落组成的...     

基于16S rRNA基因高通量测序研究狞猫肠道微生物多样性（英文）

【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_stricto₁,10.3%）,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。     

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。

     

FlowClus: efficiently filtering and denoising pyrosequenced amplicons

Background

Reducing the effects of sequencing errors and PCR artifacts has emerged as an essential component in amplicon-based metagenomic studies. Denoising algorithms have been designed that can reduce error rates in mock community data, but they change the sequence data in a manner that can be inconsistent with the process of removing errors in studies of real communities. In addition, they are limited by the size of the dataset and the sequencing technology used.

Results

FlowClus uses a systematic approach to filter and denoise reads efficiently. When denoising real datasets, FlowClus provides feedback about the process that can be used as the basis to adjust the parameters of the algorithm to suit the particular dataset. When used to analyze a mock community dataset, FlowClus produced a lower error rate compared to other denoising algorithms, while retaining significantly more sequence information. Among its other attributes, FlowClus can analyze longer reads being generated from all stages of 454 sequencing technology, as well as from Ion Torrent. It has processed a large dataset of 2.2 million GS-FLX Titanium reads in twelve hours; using its more efficient (but less precise) trie analysis option, this time was further reduced, to seven minutes.

Conclusions

Many of the amplicon-based metagenomics datasets generated over the last several years have been processed through a denoising pipeline that likely caused deleterious effects on the raw data. By using FlowClus, one can avoid such negative outcomes while maintaining control over the filtering and denoising processes. Because of its efficiency, FlowClus can be used to re-analyze multiple large datasets together, thereby leading to more standardized conclusions. FlowClus is freely available on GitHub (jsh58/FlowClus); it is written in C and supported on Linux.

Electronic supplementary material

The online version of this article (doi:10.1186/s12859-015-0532-1) contains supplementary material, which is available to authorized users.     

慢性呼吸道疾病患者呼吸道微生物群研究进展

过去认为健康人肺部是无菌的,对疾病状态下呼吸道菌群的研究依赖传统培养技术。近年来,DNA测序技术应用于呼吸道标本的微生物检测,发现健康肺部存在复杂的微生物群。越来越多的证据表明,呼吸道微生物群在多种慢性呼吸道疾病发生和发展过程中扮演重要角色,与哮喘、慢性阻塞性肺病等疾病的临床表现、急性加重及预后相关。通过比较急性加重期与稳定期患者的呼吸道标本微生物群,形成了新的疾病假说,阐释了慢性呼吸道疾病急性加重的微生物学基础。未来对微生物测序数据的深度挖掘及基于临床问题的研究,有望为慢性呼吸道疾病的治疗提供新的靶点。     

建立PCR-CE-RFLP方法快速诊断女性生殖道的细菌感染

目的建立PCR-CE-RFLP方法直接检测女性生殖道感染标本中的细菌,为临床提供快速、准确的诊断依据。方法利用细菌16SrRNA集保守性和变异性于一体的特点,合成1对通用引物,其上游5’端用5＇-FAM标记。将8株已知菌和38例临床诊断为生殖道炎症的标本及其培养物进行PCR扩增,扩增产物经限制性内切酶HaeⅢ消化,经毛细管电泳（CE）通过限制性片断长度多态性分析（RFLP）来鉴定不同病原菌。结果（1）已知菌株PCR扩增阳性率为75％（6／8）、生殖道感染标本的PCR扩增阳性率为79％（30／38）,毛细管电泳阳性率两者均为100％。（2）已知菌株PER扩增产物的5’端HaeⅢ完全酶切片段的毛细管电泳结果,与电子克隆产物的酶切片段基本一致。（3）用传统培养检测法在生殖道能检出的常见致病菌,实验用PCR-CE-RFLP法同样也能检出。（4）实验还发现数种传统培养法未检出的细菌。结论PCR-CE-RFLP法比传统的细菌培养法具有快速、准确、灵敏的优点,比传统方法缩短20h,可用于临床标本的直接鉴定。     

用细菌16S rRNA荧光定量PCR法检测肠道菌群的变化

目的应用细菌的16SrRNA序列设计双歧杆菌、大肠埃希菌及乳酸杆菌的引物并对肠道的3种细菌进行定量测定。方法收集轮状病毒肠炎患儿及正常对照组的粪便标本提取DNA。取准确定量的3种细菌经系列稀释后抽提细菌的DNA做荧光定量PCR,制作出标准曲线。待测样品同时进行PCR反应并和标准曲线进行比较,获得各样品中3种细菌的量。结果患儿肠道中双歧杆菌和乳酸杆菌的数量较正常儿童明显减低,而大肠埃希菌的数量差异无显著性。与其他文献报道的用细菌培养的方法所得结果一致。结论荧光定量PCR是一种特异性高、敏感性强的定量方法。可正确定量肠道中的细菌数量。     

抑黄曲霉乳酸菌的筛选及菌种鉴定

目的筛选具有抑制黄曲霉(Aspergillus flavus)生长的乳酸菌。方法以各地泡菜、实验室自制泡菜、豆浆渣以及新鲜猪肠、鸡肠道内容物为材料,采用牛津杯法筛选所需菌株。对筛选出的菌株进行生理生化及16S rRNA基因序列同源性分析。结果分离得到756株乳酸菌,其中有6株菌株对黄曲霉的生长有明显的抑制作用。结论实验获得的6株产酸菌,3株为植物乳杆菌(Lactobacillus plantarum),2株为消化乳杆菌(L.alimentari-us),1株为亚利桑那乳杆菌(L.arizonenensis)。     

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.     

FISH技术在强化生物除磷中的应用

荧光原位杂交(FISH)是一种微生物生态学研究技术,在强化生物除磷(EBPR)过程中,用来鉴定系统中的优势微生物种群,直接观察其在污泥系统中的形态结构、分布状态,跟踪监测其各个阶段的动态变化,并将其量化。与DGGE/TGGE、SSCP、RFLP、DAPI染色等研究方法,可突破FISHj技术不能提供活性污泥内部种群多样性、检测\"未知\"微生物的研究局限,增加研究的准确性。发展探针检测水平、发现更有效的染色鉴定方法、与生理生化研究相结合将成为FISH技术在强化生物除磷过程中的发展方向。     

人体肠道微生物多样性和功能研究进展

人体肠道中庞大而复杂的微生物群落对人体自身代谢表型有深远的影响.肠道微生物群落在亚种或菌株水平上表现出极大的多样性.利用微生物分子生态学、元基因组学和代谢组学研究方法,发现肠道微生物与宿主表现出共进化的特点,肠道微生物群落及其基因组为宿主提供了互补的遗传和代谢功能,表现出互惠共生关系.但是,肠道微生物群落中影响宿主代谢表型的关键功能菌鉴定及其作用模式问题仍然悬而未决,综合运用多种高通量研究方法和多维数据分析方法可能成为解决这个问题的突破口.