拟南芥与叶际微生物组的互作遗传机制——基于网络作图理论

叶际微生物组对植物的生长发育至关重要,但植物与其定殖微生物组相互作用机制尚不明确。目前植物与微生物互作研究多集中于根际微生物组,对叶际微生物组的研究较少,且这些研究未能从微生物互作的角度探究植物与微生物的相互作用机理。基于网络作图理论,将拟南芥基因组SNP （Single Nucleotide Polymorphisms）分子标记数据与微生物组网络特征值相关联,挖掘影响叶际微生物组网络结构的枢纽基因,以探究拟南芥塑造叶际微生物组网络结构的遗传机制。通过对188株拟南芥及其叶际微生物组数据的分析,识别出四种关系下的中心节点微生物,筛选到622个显著SNP位点。进一步构建了贝叶斯遗传网络,获得26个枢纽基因,这些基因可能参与了植物抗病、激素分泌和生长发育相关的分子途径。本研究从全基因组角度探究植物调控自身微生物组的遗传机制,揭示植物与微生物组如何互作促进植物健康,将为精准分子育种提供理论基础和遗传资源,并为合成菌群用于创制新型菌剂提供数据支持,具有重要的科学意义和应用价值。     

植物种子内生细菌组的研究进展

种子是种子植物的繁殖器官,也是多种有益微生物和病原菌的传递载体。种子微生物与植物的生长发育、健康程度、品质及产量等密切相关。随着微生物生态学和微生物组学技术的发展,国内外有关植物微生物组的研究突飞猛进,尤其植物微生态相关的根际微生物组和叶际微生物组的研究已经成为焦点和热点。相比之下,对植物种子内生微生物组的研究还尚未引起足够的重视。细菌是种子内生微生物的主要类群,本文将重点从种子内生细菌的类群组成、生物学功能、传播途径和核心微生物组四个方面对近年来的研究进展进行概括总结,剖析当前种子内生微生物组研究领域亟待解决的问题以及未来的研究方向与思路。     

厌氧消化污泥微生物组研究方法及应用

污泥厌氧消化是在消化污泥微生物组的协调下将剩余污泥中有机物转化为甲烷的微生物过程。与传统厌氧消化过程不同,污泥厌氧消化系统的进料底物为含有大量微生物细胞及胞外多聚物等复杂大分子有机物的剩余污泥。因此,厌氧消化污泥微生物组的种群组成、功能及种群间互作关系等异常复杂,使厌氧消化污泥微生物组分析成为难点问题。但近年来高通量测序技术及生物信息学分析方法的快速发展为消化污泥微生物组研究提供了契机,并迅速推动了该研究领域的发展。本文从4个方面梳理、总结厌氧消化污泥微生物组的研究及应用现状:剩余活性污泥结构、组成及其厌氧消化;基于16SrRNA基因序列测序的微生物组研究;基于宏基因组及宏转录组分析的微生物组研究;厌氧消化污泥微生物组研究案例分析。最后我们提出了厌氧消化污泥微生物组研究亟待解决的关键科学问题。     

微生物组学的技术和方法及其应用

微生物组是指一个特定环境或生态系统中全部微生物及其遗传信息的集合, 其蕴藏着极为丰富的微生物资源。全面系统地解析微生物组的结构和功能, 将为解决人类面临的能源、生态环境、工农业生产和人体健康等重大问题带来新思路。然而, 微生物组学研究在很大程度上取决于其技术与方法的发展。在高通量测序技术出现以前, 微生物研究主要基于分离培养和指纹图谱等技术, 然而, 由于这些技术存在的缺陷, 人们对于微生物的认识十分有限。自21世纪初以来, 尽管高通量测序和质谱技术的革命性突破极大地促进了人们对于微生物的认识, 微生物组学技术在微生物组研究中的应用仍面临着诸多挑战。此外, 目前微生物组的结构和多样性等描述性研究已臻成熟, 微生物组学研究正处于从数量到质量、从结构到功能的关键转变时期。因此, 该文首先介绍了微生物组学的基本概念及其发展简史, 其次简述了微生物组学研究的相关技术和方法及其发展历程, 并进一步阐述了微生物组学的技术和方法在生态学研究中的应用及存在的主要问题, 最后从技术、理论和应用层面阐述了未来微生物组学技术和方法发展的前沿方向, 并提出了今后微生物组学研究的优先发展领域。     

2016年动物胃肠道微生物组研究十大亮点成果

动物胃肠道微生物对生产性能提高具有重要的作用,因此营养、微生物组与生产表型的互作研究已经成为国际研究热点。综述了2016年动物胃肠道微生物组学研究取得的十项重要成果,这些成果通过组学方法,研究了瘤胃纤维分解菌和尿素分解菌的功能基因多样性,揭示了微生物群落与日粮营养素、宿主基因型、环境的互作关系,阐明了反刍动物生产表型相关的瘤胃微生物种类和功能;首次构建猪肠道微生物组参考基因集,解析猪全肠道黏膜微生物组成,阐明了猪增重相关肠道微生物种类。这十大亮点成果将为国内动物营养学家开展动物胃肠道微生物组学研究提供参考。     

核心微生物组的研究及利用现状

随着分子生物学和生物信息学的飞速发展,新一代测序技术可以轻松地检测不同样本中复杂的微生物分类单元。面对这些复杂而大量的微生物组数据带来的分析挑战,利用核心微生物组的方法来描述和分析样本中的核心微生物组和关键种是近年来新的研究热点,这些结果将揭示与宿主健康、生长和生产等密切相关的微生物种类,有助于深入认识微生物与宿主间的相互关系,深刻理解微生物对宿主的影响作用,更好地理解微生物组在自然生态系统中的功能。本文阐述了核心微生物组的定义、研究方法、与动植物的关系等方面的研究及利用现状,为更好地利用核心微生物组解决环境、人类健康和农业生产问题提供思路。     

阴道微生物组：种群特征与疾病干预治疗

高通量测序技术的发展显著加快了对人类微生物组的理解。将人体微生物组与疾病关联,力求阐明疾病的发生进程,是推进个性化精准医疗的重要研究方向。近年来,栖居于女性阴道的微生物菌群日益受到关注,发现其生态失调与疾病发生、演变密不可分。文中综述了阴道微生物组与生殖道疾病发生、进展和治疗的最新进展,同时对阴道微生物组培养组、益生菌工程化改造以及合成菌群在阴道微生物组学研究以及疾病干预与治疗方面的前景进行了展望。     

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.     

元蛋白质组分析——研究微生物生态功能的新途径

随着对微生物纯化培养和元基因组学研究的不断深入,积累了大量的微生物基因组信息,元蛋白组分析将促进我们对基因组功能的理解。目前,对微生物群落的元蛋白质组(metaproteome)的研究已成为后基因组时代进一步认识微生物生态功能的有效途径。对这一新技术的介绍结合元蛋白质组的提取和鉴定方法、元蛋白质组在研究微生物生态功能上的应用进行了综述,并对这一新的研究领域所面临的困难与挑战进行了讨论。     

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。     

从微生物组到合成功能菌群

微生物组是指特定微环境中的微生物群落及其组学,自然界中的生物过程几乎都是通过微生物组完成的。随着测序技术的发展和成本降低,微生物组已经成为微生物生态学研究的热点领域。继合成生物学之后,基于微生物组的合成功能菌群研究正在兴起,在人类健康、农业、工业和生态等领域都有广泛的应用前景。本文从微生物组到合成功能菌群的角度系统论述了其在不同领域的研究现状与发展趋势,为微生物组从理论研究到应用提供思路。     

肠道微生物菌群共存网络的构建与分析

【目的】将网络分析应用到肠道微生物的分析之中,探究肠道微生物共存网络拓扑结构等相关网络系数的分析,从而展现肠道微生物共存网络的特性。【方法】将之前研究中的肠道微生物数据根据雌马酚代谢能力划分成雌马酚产生者和非产生者两组,计算两组微生物相对丰度,得出菌种之间的相关系数,构建肠道微生物的共存网络,分析两组间共存网络参数的差异;运用随机网络检验现实网络拓扑结构的特异性,分析两组网络中菌种间的差异。【结果】共存网络中两组节点数分别为45个和47个,即分别有45个和47个不同菌种。比较两组网络结构的差异,发现雌马酚产生者组中的共存网络菌群具有更复杂的连接,且两组之间的其他网络参数存在一定的差异。通过将现实网络与随机网络对比可知,现实网络的拓扑结构具有一定的特异性。将具有代谢雌马酚相关物质能力的菌种在两组网络中标出,发现它们在雌马酚产生者组共存网络中更趋向与来自不同门的菌种产生相互联系。【结论】将网络分析应用于肠道微生物分析之中,可以发掘菌种之间的相互作用和网络拓扑结构的复杂性与差异性,展现肠道菌群结构中之前较少被认识到的一些特征。因而,网络分析的方法可以为未来肠道微生物的研究提供新的视角。     

中国人群肠道微生物鸟枪法宏基因组测序研究进展

肠道微生物与人类健康的相关性研究仍然是当前生命科学研究领域的前沿热点之一。不依赖培养的16Sr RNA基因高通量测序是当前的主要研究手段。但随着测序成本的降低和数据分析方法的日渐成熟,宏基因组鸟枪法测序因具有信息量更大、更全等优势,将逐渐成为今后一段时间内研究肠道微生物组的重要手段。美国在人类微生物组计划的资助下,对30 805份样品进行了肠道微生物宏基因测序分析。通过NCBI Pub Med和SRA数据库检索,共发现72项研究收集了约10000份中国人的肠道样品用于宏基因组测序。但到目前为止,仅56项研究进行了公开发表,其中与代谢性疾病相关的文献16篇,与感染和免疫性疾病相关的文献16篇,与心脑血管疾病相关的文献12篇。由于采样地点以北京、广州、上海等大城市为主,测序平台和测序分析方法均存在较大差异,且大部分研究仍以相关性分析为主,相关研究成果在临床疾病诊疗中所发挥的作用仍非常有限。规范采样方法、标准化测序平台和数据分析流程,开展多中心平行研究将有助于数据整合和比较分析。同时,结合使用转录组、蛋白质组和培养组学等多组学方法开展功能验证和分子作用机制研究,将有利于更好地将肠道微生物研究...     

宏基因组学与动物病原微生物检测

宏基因组学（ metagenome）是直接从土壤、海水、人及动物胃肠道、口腔、呼吸道、皮肤等环境中获取样品DNA,利用载体将其克隆到替代宿主细胞中构建宏基因文库,以高通量检测为主要技术来研究特定环境中全部微生物的基因组及筛选活性物质和基因的新兴学科。利用宏基因组学技术不仅能够有效地检测特定环境的微生物群落结构,扩展了微生物资源的利用空间,发展了新兴的高通量检测技术,丰富了生物信息学内容。基于宏基因组学研究方法在环境微生物研究中的优势,对近年来相关领域、方法及其在人及动物病原微生物研究中的应用进行综述,以期将此方法用于实验动物病原微生物的调查分析及动物疫情、生物安全的监测。     

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.     

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。     

人体微生物群与微生物组

随着微生物群(组)研究的兴起,人体微生物组对机体健康或疾病作用的探索一度呈井喷之势,但研究技术及分析方法仍处于起步阶段,需进一步深入。本文对微生物群和微生物组的概念进行了解释,阐述了人体微生物群与机体的相互作用模式,概括了微生物群与人体有关疾病的关系,提出了人体微生物组研究中的6个关键问题,并对未来的发展方向进行了展望。     

感染组学 (infectomics) ———对感染性疾病的总体性和综合性研究

在感染性疾病的范畴内,目前急需一个能有效地、精确地和综合性地研究微生物感染的结构性和功能性基因组学和蛋白质组学 ( 感染组学 ) 的全面方法. 新的方法 ( 如 DNA 和蛋白质微阵列 ) 和传统方法 ( 如分子克隆、 PCR 、基因敲除,加进 (knockin) 和反义术等 ) 的结合将有助于克服今天的困难. 在感染时,微生物及其宿主的全部表型改变 ( 感染组 ) 均由微生物病原体及其宿主的基因组所编码,并在特异的微生物 - 宿主相互作用时的某些环境条件下表达. 微生物及其宿主的全部药物反应 ( 药理组 ) 可用基因组或蛋白质组的方法检出. 分析基因型和表型或表达形式的全基因组方法将最终导致对微生物的发病机理、感染性疾病的快速诊断和控制感染的新策略的全面研究. 感染性疾病中最基本的问题是,如何全面地和综合性地应用感染组学,来了解微生物病原体及其宿主的相互作用.     

覆土栽培食用菌的微生物病害防控

微生物病害问题会造成覆土栽培食用菌的产量和质量严重下降。防控微生物病害一直是食用菌研究和产业发展关注的热点,但常规的防控措施均存在局限性,尚难以在生产实践中有效地防控病害。本文列举了近年来常规的生物和非生物方法在覆土栽培食用菌微生物病害防控中的应用,对其特点进行了总结,并综述了近年来覆土栽培食用菌土壤微生物群落多样性研究的进展。基于此,提出了应用合成土壤微生物组来防控食用菌微生物病害的新策略,对构建和应用合成土壤微生物组面临的挑战和前景进行展望。这将有助于有效地防控覆土栽培食用菌的微生物病害和维系土壤健康。