宏基因组学:土壤微生物研究的新策略

土壤中多数微生物不可培养,这限制了微生物资源的开发利用。宏基因组学方法在开发和利用不可培养微生物资源方面有巨大潜力,可以将其运用到土壤微生物学研究中。对土壤宏基因组DNA的提取、宏基因组文库的构建和筛选等方面的研究现状和进展进行了简要综述。     

宏基因组学挖掘新型生物催化剂的研究进展

微生物蕴藏着大量具有工业应用潜力的生物催化剂。然而,传统培养方法只能从环境中获得不到1%的微生物。宏基因组学是通过提取某一特定环境中的所有微生物基因组DNA、构建基因组文库并对文库进行筛选,寻找和发现新的功能基因的一种方法。它绕过了微生物分离培养过程,成为研究环境样品中不可培养微生物的有力手段。因此,从宏基因组中挖掘新型生物催化剂一直倍受生物学家的关注。以下主要对宏基因组文库的样品来源、DNA提取方法、文库的构建和筛选策略的选择这4个方面的研究状况进行了综述,列举了近年来利用宏基因组技术所获得的新型生物催化剂,并对其今后的研究方向提出了展望。     

海洋宏基因组学研究进展

宏基因组学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,在未培养微生物资源的开发利用上取得了突破性进展,已成为海洋等极端环境中分离与鉴定新型工业酶制剂的有效工具。综述海洋宏基因组学研究进展,以及宏基因组学领域中如新一代测序技术等,以期为从海洋环境中开发具有工业潜力和应用价值的新型生物催化剂提供参考。     

宏基因组学在发现新基因方面的应用

现代分子微生物生态学研究表明,自然环境中约99%的微生物不能用传统的分离培养方法获得其纯培养,使得环境微生物中的多样性基因资源难以得到充分的开发和应用.宏基因组学是近年来发展起来的,通过直接提取特定环境中全部微生物的总基因组DNA并克隆到合适的可培养微生物宿主中,来筛选目的基因的方法.它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.该文旨在介绍宏基因组学在新功能基因发现方面的应用概况并结合我们的研究情况,对这一崭新领域中的最近研究进展进行简要综述.     

病毒宏基因组学技术及其在医学领域的应用

病毒宏基因组学(Viral metagenomics,VM)无需知晓核酸序列,直接以环境中的病毒群落为研究对象,对研究环境中病毒的多样性、快速鉴定出已知和未知病毒,实时监测特定病毒的动态变化等具有重要价值。下一代测序(Next-generation sequencing,NGS)平台具备快速、自动化和高通量等综合优势,因此相对于一代Sanger测序技术,其测序能力大大提高。同时,近年来测序技术的不断改进、成本的不断降低、数据分析流程的普及以及对数据深入挖掘能力的显著性改进表明,在可预见的未来,病毒宏基因组测序将会成为常规检测项目,为未知病毒检测提供新的技术手段和思路。本文将从病毒宏基因组学的兴起,研究过程和在医学领域中的应用等方面进行综述。     

宏基因组与宏基因组学

宏基因组学诞生于上世纪90年代,是指不经过微生物培养阶段,采用直接提取环境中总DNA的方法,对微生物基因总和进行研究的一门新学科.宏基因组技术的出现,使得人们对占微生物总体99%以上不可培养微生物的研究成为现实,微生物基因的可探测空间显著增大.总的来说,目前宏基因组技术的应用主要分为两个方面:一方面是筛选功能基因,开发具有所需功能的蛋白;另一方面是通过对宏基因组文库进行分析,探讨在各种环境下微生物间相互作用和微生物与周围环境间相互影响的规律,以便我们能更加客观、全面地认识微生物世界.在宏基因组技术的应用范围被不断扩展的同时,围绕着宏基因组文库的构建和筛选、测序和分析等方面的研究已成为宏基因组学发展的主要推动力,宏基因组技术的进步将不断提升其应用价值.     

宏基因组学在纤维素酶研究中的应用进展

纤维素酶能降解纤维素,被广泛应用于生物修复、食品加工、化工合成等领域,开发高活力、广底物、耐高温高碱等极端条件的新型纤维素酶具有重要意义。宏基因组学以特定环境样品中微生物的基因组总和为研究对象,避开传统的微生物分离培养过程,为基因资源的开发、利用提供了新技术。文中结合本课题组的研究工作,综述了利用宏基因组学获取纤维素酶的策略,同时着重介绍利用宏基因组学从动物胃肠道、土壤等环境中获取纤维素酶的研究。     

呼吸道感染样本病毒宏基因组学技术及其应用进展

呼吸道感染在世界范围内造成巨大的医疗负担,导致呼吸道感染的病原非常多,快速准确判断感染病原对有效地预防控制及临床诊治至关重要。高通量测序及病毒宏基因组学技术近年来不断发展并越来越多地用于呼吸道感染的临床诊断及研究中。本文就呼吸道感染样本病毒宏基因组学技术(呼吸道感染样本前处理、高通量测序文库的准备、测序数据处理方法)及其应用进展进行简要的综述。     

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。     

宏基因组学在新型生物催化剂开发中的研究进展

宏基因组学是基因工程发展的新方向,它为寻找和发现新的功能基因及生物催化剂提供了新的研究策略。着重论述了宏基因组学的研究方法,包括DNA的提取、文库的构建以及筛选策略的选择。同时介绍了近年来宏基因组学应用于新型生物催化剂开发中所取得的一些成果。     

利用土壤宏基因组技术定向筛选抗生素产生菌的方法学建立

为了快速从土壤中定向筛选抗生素产生菌, 本研究利用宏基因组技术进行了土壤中抗生素产生菌快速筛选方法的探索。对6 种不同土质的土壤利用液氮冷冻法提取土壤基因组DNA 并用PVPP柱层析法进行纯化, 每克湿土可得到32.25?61.25 μg DNA, 片段大小为23 kb左右, 说明宏基因组DNA样品完整, 16S rDNA的 PCR结果证明了该基因组DNA纯度可用于后期的分子操作。利用Herbimycin产生菌掺入法进行了抗生素产生菌筛选方法学的验证。结果证明, 每克湿土掺入103个Herbimycin产生菌时, 利用Herbimycin合成基因簇的特定引物即可从所提取的土壤基因组DNA中扩增出目标条带, 并且可以利用传统菌种分离方法从土壤中重新分离出来被掺入到土壤的Herbimycin产生菌。这些结果证明本研究建立的定向抗生素产生菌筛选方法, 具有快捷、灵敏的特点, 大大减少传统筛选方法的工作强度和时间, 为微生物新药的研发建立一种全新的研究方法。     

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。     

基于功能宏基因组学技术的金黄色葡萄球菌生物被膜抑制物的发现与活性分析

宏基因组学方法直接提取环境中的全部微生物基因组DNA,并使其得到功能性表达,为微生物天然产物的开发利用提供了新的方法。利用功能宏基因组学技术,使用大肠杆菌-链霉菌穿梭载体构建四川峨眉山土壤宏基因组文库,并将文库菌中所携带的环境DNA接合转移到链霉菌宿主中。通过活性筛选获得两个具有抗菌活性的阳性链霉菌克隆,其发酵粗提物对金黄色葡萄球菌生物被膜的形成均有很好的抑制作用,当浓度达到2 MIC(Minimum inhibitory concentration)时,抑制作用超过90%;同时,两种粗提物样品对金黄色葡萄球菌生物被膜也存在显著的清除作用,其中EM110样品对金黄色葡萄球菌生物被膜的清除率高于EM123样品。本文通过功能宏基因组学技术,直接从土壤中筛选获得了对金黄色葡萄球菌生物被膜有较强抑制及清除作用的活性物质。     

Single-cell metagenomics: challenges and applications

With the development of high throughput sequencing and single-cell genomics technologies, many uncultured bacterial communities have been dissected by combining these two techniques. Especially, by simultaneously leveraging of single-cell genomics and metagenomics, researchers can greatly improve the efficiency and accuracy of obtaining whole genome information from complex microbial communities, which not only allow us to identify microbes but also link function to species, identify subspecies variations, study host-virus interactions and etc. Here, we review recent developments and the challenges need to be addressed in single-cell metagenomics, including potential contamination, uneven sequence coverage, sequence chimera, genome assembly and annotation. With the development of sequencing and computational methods, single-cell metagenomics will undoubtedly broaden its application in various microbiome studies.     

Metagenomic comparison of direct and indirect soil DNA extraction approaches

Full pyrosequencing runs of both direct-extracted (high yield, low DNA size) and indirect-extracted DNA (low yield, high DNA size) from the same prairie soil show that the sequence distribution of the majority of the metabolic functions and species detected were statistically similar. Although some microbial functions differed at the 95% confidence interval in bootstrap analyses, the overall functional diversity was the same.     

A low-cost,high-throughput microfluidic nano-culture platform for functional metagenomics

Functional metagenomics is an attractive culture-independent approach for functional screening of diverse microbiomes to identify known and novel genes. Since functional screening can involve sifting through tens of thousands of metagenomic library clones, an easy high-throughput screening approach is desirable. Here, we demonstrate a proof-of-concept application of a low-cost, high-throughput droplet based microfluidic assay to the selection of antibiotic resistance genes from a soil metagenomic library. Metagenomic library members encapsulated in nanoliter volume water-in-oil droplets were printed on glass slides robotically, and cell growth in individual drops in the presence of ampicillin was imaged and quantified to identify ampicillin-resistant clones. From the hits, true positives were confirmed by sequencing and functional validation. The ease of liquid handling, ease of set-up, low cost, and robust workflow makes the droplet-based nano-culture platform a promising candidate for screening and selection assays for functional metagenomic libraries.     

基于宏基因组技术解析南极不同纬度地区土壤抗生素抗性基因的分布与迁移

[目的] 南极洲不同地区环境极端多样,且受人类活动影响不一。本研究旨在探究南极不同纬度地区土壤抗生素抗性基因（ARGs）的分布特征与迁移机制。[方法] 下载南极不同纬度地区及加拿大阿尔伯特地区养殖场附近土壤宏基因组数据集,利用MetaWRAP进行组装,使用CARD、PlasFlow和ICEberg数据库对ARGs与可移动遗传元件（MGEs）进行注释。[结果] 在南极不同纬度地区土壤中,优势菌门为变形菌门、放线菌门、拟杆菌门和厚壁菌门。共注释出25类406种ARGs,以多重耐药类、四环素类及氨基糖苷类抗生素抗性基因为主。NMDS分析结果表明,南极不同纬度地区与养殖场附近土壤中ARGs的分布特征显著不同（ANISOM,P=0.001）。南极高纬度地区ARGs占总基因数的比例为0.28%,显著低于低纬度地区（1.93%,P<0.01）。不同抗生素类型的ARGs呈现不同的区域分布模式,其中硝基咪唑类、氨基糖苷类、糖肽类与大环内酯类ARGs主要分布在南极高纬度地区,四环素类与磺胺类ARGs主要分布在南极低纬度地区（P<0.05）。南极土壤中ARGs的迁移研究表明,质粒携带的ARGs占检测到的ARGs的17%。同时,共发现163个整合与接合元件（ICEs）可携带多抗耐药类、肽类和四环素类等14类ARGs。这些携带ARGs的ICEs主要分布于α-、β-与γ-变形菌纲中。[结论] 南极高纬度与南极低纬度地区土壤中ARGs的分布存在差异性,质粒与ICEs共同介导ARGs的迁移。本研究为进一步了解抗生素时代之前的原始抗性组提供数据基础。     

人体肠道宏基因组生物信息分析方法

最近5年来,微生物组与人体健康之间的微妙关系已成为全球研究热点,特别是基于高通量测序的宏基因组技术推动了这个领域的发展。然而宏基因组生物信息学分析往往是开展研究过程中的难点。本文对宏基因组生物信息常规分析方法进行了介绍。     

Practical application of self-organizing maps to interrelate biodiversity and functional data in NGS-based metagenomics

Next-generation sequencing (NGS) technologies have enabled the application of broad-scale sequencing in microbial biodiversity and metagenome studies. Biodiversity is usually targeted by classifying 16S ribosomal RNA genes, while metagenomic approaches target metabolic genes. However, both approaches remain isolated, as long as the taxonomic and functional information cannot be interrelated. Techniques like self-organizing maps (SOMs) have been applied to cluster metagenomes into taxon-specific bins in order to link biodiversity with functions, but have not been applied to broad-scale NGS-based metagenomics yet. Here, we provide a novel implementation, demonstrate its potential and practicability, and provide a web-based service for public usage. Evaluation with published data sets mimicking varyingly complex habitats resulted into classification specificities and sensitivities of close to 100% to above 90% from phylum to genus level for assemblies exceeding 8 kb for low and medium complexity data. When applied to five real-world metagenomes of medium complexity from direct pyrosequencing of marine subsurface waters, classifications of assemblies above 2.5 kb were in good agreement with fluorescence in situ hybridizations, indicating that biodiversity was mostly retained within the metagenomes, and confirming high classification specificities. This was validated by two protein-based classifications (PBCs) methods. SOMs were able to retrieve the relevant taxa down to the genus level, while surpassing PBCs in resolution. In order to make the approach accessible to a broad audience, we implemented a feature-rich web-based SOM application named TaxSOM, which is freely available at http://www.megx.net/toolbox/taxsom. TaxSOM can classify reads or assemblies exceeding 2.5 kb with high accuracy and thus assists in linking biodiversity and functions in metagenome studies, which is a precondition to study microbial ecology in a holistic fashion.