利用宏基因组学技术开展幼女阴道菌群多样性分析

目的 利用宏基因组学技术分析成都地区健康幼女阴道菌群多样性,为全面了解健康幼女的阴道微生态环境、制定幼女阴道微生态指标正常值范围奠定基础。 方法 选取2018年10月至2019年4月在四川大学华西第二医院妇科门诊就诊的4~6岁健康幼女共14例为研究对象,同时收集健康成年女性阴道分泌物标本,通过革兰染色、细菌培养和质谱分析评价2组人群样本菌群状况及差异。采用通用引物对细菌16S rDNA基因的V3-V4区进行扩增,将PCR产物进行变性梯度凝胶电泳,通过对DGGE特征条带切胶回收并进行克隆测序,利用GenBank中的Blast与已知序列比对,鉴定细菌菌种,分析幼女阴道菌群的多样性特征。 结果 革兰染色及微生物培养表明,健康成人阴道分泌物主要菌群以革兰阳性大杆菌为主,而幼女阴道分泌物主要以革兰阴性杆菌及革兰阳性球菌为主。先农指数和辛普森指数分析发现随着年龄增长,细菌多样性呈现下降趋势。物种丰度热图分析表明,4岁组幼女阴道分泌物主要细菌为不解糖嗜胨菌、埃扎基拉菌、卟啉单胞菌和普雷沃菌;5岁组幼女阴道分泌物主要细菌为假单胞菌、鞘氨醇单胞菌、不动杆菌和肠杆菌;6岁组幼女阴道分泌物主要细菌为假单胞菌、鞘氨醇单胞菌、气单胞菌和头孢菌。基于细菌同源蛋白簇(COG)的功能丰度热图分析,发现随着年龄的增长,细菌功能在不断增加,4岁组和6岁组样本显示出明显的细菌功能差异。 结论 通过宏基因组学分析发现幼女阴道常见优势菌种为假单胞菌、鞘氨醇单胞菌、不解糖嗜胨菌、普雷沃菌、气单胞菌等,与育龄妇女优势菌有很大差异。随着年龄增长,细菌多样性呈现下降趋势,而菌群功能呈增加趋势。这些发现对全面了解健康幼女的阴道微生态、制定幼女阴道微生态正常值范围具有重要意义。     

人体肠道病毒群的宏基因组学研究进展

随着高通量测序技术的发展,与人体共生的微生物群成为当今研究的热点。肠道微生物群是人体最庞杂且重要的微生态系统,与人体健康密切相关。其中,肠道菌群与疾病的研究是热点,但是人们对肠道病毒群的关注较少。该文对人体肠道病毒宏基因组学的研究进行综述,介绍病毒宏基因组学的基本研究内容,以及研究面临的瓶颈问题,阐述利用宏病毒组学探索健康人体肠道病毒群组成的特征、肠道病毒群与某些人类疾病相关性的研究进展。     

海洋微生物宏基因组工程进展与展望

据初步统计,生活于海洋环境包括大洋深处的微生物有100万种以上,构成了一个动态的遗传基因库,其中绝大多数微生物或者从来没有经过实验室培养,或者至今无法培养,因而其分类地位及其生态学功能尚未为人类所认识。随着16S rRNA序列分析与系统分类学的广泛应用,海洋微生物多样性研究领域已经发生了很可观的改变,这些变化极大的丰富了人们对的微生物多样性及其生态功能的认识和理解。这里结合笔者近十年来的工作实践,讨论近年来在海洋微生物资源开发利用方面的研究进展,提出一个带有自动化特征的宏基因组功能表达平台,探讨海洋微生物资源利用的新途径。可以预见在不久的将来,海洋环境宏基因组工程研究将在一定程度上使得传统未培养海洋微生物基因资源及其功能产物能够为人类所开发和利用。     

基于宏基因组的茉莉花内生细菌多样性分析

为了解茉莉花(Jasminum sambac)的内生菌多样性,利用16S rDNA高通量测序技术对其内生细菌组成进行测定。结果表明,茉莉花的内生细菌有38门78纲150目257科434属,其中变形菌门、放线菌门、壁厚菌门、拟杆菌门和绿弯菌门的物种丰度较高。变形菌门在6-10月的丰度均最高(70.3%～85.7%)。7月份植株的细菌Shannon指数最高(3.14)、Simpson指数最小(0.13),表明细菌群落多样性最高,且高温有利于提高植株内生细菌多样性。聚类和主成分分析表明,7和8月、9和10月的植株内生细菌群落构成相似度高,6月与其他月份的差异大。冗余分析和热图分析表明,土壤营养成分影响植株内生群落组成,以全氮、全磷和有机质含量为主要。这为挖掘利用茉莉花有益的内生菌资源奠定基础。     

基于宏基因组分析纳帕海高原湿地微生物及其碳氮代谢多样性

由于地理位置特殊和生态系统类型的复杂多样性,高原湿地在水源供给、温室气体调节、生物多样性保护等方面具有不可忽视的生态作用。纳帕海高原湿地是特殊的低纬度高海拔湿地类型,目前关于其微生物多样性的研究较少。文中基于宏基因组学方法对纳帕海高原湿地微生物的基因组进行测序,在细菌域中鉴定出184个门、3 262个属、24 260个种;在古菌域中检测到13个门、32个属;在真菌域中共有13个门、47个属。土壤和水体的物种多样性具有明显差异：在门水平上,土壤中酸杆菌门、变形菌门和放线菌门为优势菌门,水体则以变形菌门和拟杆菌门为主。通过宏基因组分析获得纳帕海微生物群落的多样性数据,并对高原湿地中固碳途径和氮代谢途径进行了初步分析。研究表明碳、氮代谢基因丰度较高,湿地微生物固碳途径主要以卡尔文循环、还原性三羧酸循环和3-羟基丙酸循环为主,变形菌门、绿弯菌门、泉古菌门为主要固碳菌群;对于氮循环,水中以固氮和异化硝酸盐还原过程为主,土壤则以硝化和反硝化过程为主,变形菌门、硝化螺旋菌门、疣微菌门、放线菌门、奇古菌门和广古菌门的微生物为氮循环的主要贡献者。本研究揭示的纳帕海高原湿地微生物多样性,为湿地环境的综合治理和保护提供了新的知识。     

环境微生物的宏基因组学研究新进展

宏基因组学以环境中微生物的基因组的总和为研究对象,从而规避了传统方法中绝大部分微生物不能培养的缺陷,因此近年来在环境微生物学研究中得到了广泛应用.本文重点介绍了宏基因组学技术中关键的两类技术:即以罗氏454及Illumina为代表的高通量测序技术和以基因芯片(GeoChip)为代表的基因芯片技术在微生物研究中的应用.测序技术可以发现新物种和新基因,但由于测序深度有限,定量性差,不易发现低丰度物种,且易受污染物干扰.芯片技术很好地克服了这些局限,但不易于发现新基因.本文介绍了这些技术近年来在气候变化、水处理工程系统、极端环境、人体肠道、石油污染修复、生物冶金等方面取得的部分代表性成果.在此基础上,对宏基因组技术在环境微生物研究方面的未来发展方向提出了预判和展望.我们认为由于两种技术各自的优缺点,今后将两类技术结合起来的综合研究会越来越多.另外,由于大量数据的处理方法已成为制约宏基因组学发展的瓶颈,相应的生物信息学技术开发将是未来科研的热点和难点.     

宏基因组学技术在微生物功能酶开发中的应用

宏基因组学技术以特定环境样品中微生物复杂群落的基因组总和为研究对象,突破了传统微生物纯培养方法的局限,为不可培养微生物中丰富的基因资源的开发和利用提供了强有力的工具,已经取得了令人瞩目的研究进展。对宏基因组学技术及其在微生物功能酶新基因发现中的应用进行综述。     

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。     

环境微生物宏基因组学研究中的生物信息学方法

高通量测序技术的发展促进了组学技术在环境微生物研究中的广泛应用,而宏基因组学是目前最为关键和成熟的组学方法。生物信息学在微生物宏基因组学研究中具有至关重要的作用。它贯穿于宏基因组学的数据收集和存储、数据处理和分析等各个阶段,既是宏基因组学推广的最大瓶颈,也是目前宏基因组学研究发展的关键所在。本文主要介绍和归纳了目前在高通量宏基因组测序中常用的生物信息学分析平台及其重要的信息分析工具。未来几年之内,测序成本的下降和测序深度的增加将进一步增大宏基因组学研究在数据存储、数据处理和数据挖掘层面的难度,因此相应生物信息学技术与方法的研究和发展也势在必行。近期内我们应该首先加强基础性分析和存储平台的建设以方便普通环境微生物研究者使用,同时针对目前生物信息分析的瓶颈步骤和关键任务重点突破,逐步发展。     

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。     

基于宏基因组的保安湖浮游动物多样性研究

研究于2019年春、夏、秋、冬四季对保安湖进行了水样采集, 基于宏基因组测序, 在优化物种鉴定和丰度计算方法的基础上, 考察了保安湖浮游动物的多样性、群落结构及其影响因素。共鉴定到浮游动物OTU 374种, 其中原生动物282个; 枝角类45个; 桡足类26个; 轮虫21个。从季节来看, 夏、秋季保安湖的浮游动物多样性高; 从湖区来看, 肖四海和主湖区浮游动物多样性高。季节因素对保安湖浮游动物群落结构的影响高于湖区影响。保安湖营养状态为中营养型, 水体温度、叶绿素a是影响保安湖浮游动物群落结构的主要环境因子, 不同类群与环境因子相关性不同, 总体可分为5类。其中原生动物优势类群为混合营养的纤毛虫和丝足虫, 同硝氮、化学需氧量、温度有明显的相关性, 而枝角类和桡足类同环境因子的关系较为相似, 与溶氧、叶绿素a、正磷酸盐存在明显相关。研究利用宏基因组方法对保安湖浮游动物多样性开展了研究, 为从浮游动物这一角度来理解保安湖这一江湖阻隔型湖泊的生物多样性的变化提供了支撑。     

DNA稳定同位素探针技术在宏基因组学中的应用及前景

DNA稳定同位素探针 (DNA-SIP) 是一种新兴的技术,通过将同位素稳定结合到特定的底物来确定环境中微生物的作用。DNA-SIP与宏基因组学结合可以让某些微生物的特性与其特殊新陈代谢联系在一起,不仅可以从宏基因组库里检测到低含量的微生物,而且加速了对新的酶类和其他生物活性物质的发现。以下总结了SIP-宏基因组学技术的原理、应用及研究进展,并讨论了其在环境微生物学和生物技术的应用前景。     

宏基因组学技术在反刍动物瘤胃微生态系统上的应用研究进展

微生物在自然界中广泛存在,除土壤和水中的微生物最多外,其次在农业畜牧业中反刍动物的瘤胃微生态系统中的微生物中所占比例最多。反刍动物瘤胃微生物由于种类繁多,数量巨大,微生物区系之间关系非常复杂,它们之间寄生共生,共同影响宿主的生长发育和机体代谢,所以是反刍动物营养学研究的热点之一。随着分子生物学技术的发展,宏基因组学技术帮助我们揭开了瘤胃微生物群落的真实面貌,有助于挖掘瘤胃微生物基因库并筛选其中的功能基因,使人们对反刍动物瘤胃微生物群落的研究更加方便、透彻。本文综述了近些年应用宏基因组学技术在反刍动物瘤胃微生态群落系统的应用,旨在对瘤胃微生物功能特征进行更深入的研究,为畜牧科学生产及微生物发酵等相关领域的研究提供科学指导。     

中国濒危兽类保护基因组学和宏基因组学研究进展与展望

揭示濒危兽类的演化历史、濒危机制及适应性演化策略,是保护生物学关注的重大科学问题。近十几年来,高通量测序技术的不断发展以及多学科交叉融合,为揭示濒危物种的演化历史、遗传结构、适应性演化及其与肠道微生物的协同演化的分子机制提供了重要的技术支撑,由此产生了保护基因组学和保护宏基因组学两个分支学科,为野生动物尤其是濒危动物的保护生物学研究提供了新的方向与思路。本文综述了我国在保护基因组学和保护宏基因组学领域取得的重要进展,并展望未来的发展趋势,以期进一步推动我国濒危兽类保护生物学的发展。     

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.     

基于高通量测序的宏基因组学技术在动物胃肠道微生物方面的研究进展

微生物在自然界普遍存在,且具有降解植物细胞壁的特殊功能。动物胃肠道寄生的微生物与宿主生长发育和机体代谢密切相关,可以帮助动物将植物源性物质转化为机体所需要的营养物质。基于高通量测序的宏基因组学技术和分析方法的改进,使人们对复杂环境中微生物的研究更加方便、透彻。而宏基因组学技术应用于动物胃肠道微生物的研究,则有助于挖掘胃肠道微生物基因库并筛选其中的功能基因。这不仅对动物生长发育调控、疾病预防等基础研究具有重要意义,而且在工业生产及食品安全等领域也发挥着重要作用。就基于高通量测序技术的宏基因组技术在动物胃肠道微生物分类、功能应用等方面的研究进行了梳理和综述,旨在为动物科学生产及微生物发酵等相关领域的研究工作提供科学指导。     

宏基因组重叠群分箱方法研究综述

宏基因组学技术可以直接从环境中提取微生物的全部遗传物质,而不需要像传统方法一样在培养基上纯培养。这种技术的出现为科学家对微生物群落的结构和功能的认识提供了重要的方法,同时对疾病的诊治、环境的治理以及生命的认识具有重大的意义。从环境中提取出微生物全部遗传物质,对其进行测序从而得到它们的reads片段,通过reads组装工具可以进一步组装成重叠群片段。对重叠群片段进行分箱,可以从宏基因组样本中重建出更多完整的基因。分箱效果的好坏直接影响到后续的生物分析,因此如何将这些含有不同微生物基因混合的重叠群序列进行有效的分箱成为了宏基因组学研究的热点和难点。机器学习方法被广泛应用于宏基因组重叠群分箱,通常分为有监督重叠群分类方法和无监督重叠群聚类方法。该综述针对宏基因组重叠群分箱方法进行了较为全面的阐述,深入剖析了重叠群分类方法与聚类方法,发现其存在分类准确率较低、分箱时间较长、难以从复杂数据集中重建更多微生物基因等问题,并对未来重叠群分箱方法的研究和发展进行了展望。作者建议可以使用半监督学习、集成学习以及深度学习方法,并采用更有效的数据特征表示等途径来提高分箱效果。     

宏基因组技术在极端环境酯酶挖掘中的应用

酯酶(esterase)可以催化酯水解和合成、多肽合成、内酯合成、酯交换等多种反应,在工业领域被广泛应用,故开发具有高活力、耐盐、耐碱、耐酸、耐高温等特殊性质的酯酶具有重要意义,而来自于极端环境微生物的酯酶往往具有这些特殊的性质.从环境中获得酯酶基因的传统方式主要依赖于微生物的纯培养和基于单菌的测序技术,但是自然界中可...     

土壤宏基因组文库来源酯酶的鉴定与表征

【目的】利用宏基因组学技术挖掘土壤微生物来源的新型酯酶。【方法】构建土壤微生物宏基因组文库,利用三丁酸甘油酯平板法对所构建的文库进行筛选,并对阳性克隆中鉴定出的酯酶基因进行异源表达和生物化学特性分析。【结果】通过筛选文库中的12万个克隆,获得了一个阳性克隆,对克隆中的DNA片段进行序列分析,发现了一个可能的酯酶基因,通过研究其表达产物,确定其最适pH为9.0,最适反应温度为56°C,在90°C下仍可保持20%的酶活性;能专一性水解短链脂类,对长链脂类无水解作用;对一定浓度范围内的有机试剂如二甲基亚砜、甲醇、乙醇有较好的耐受性,尤其当二甲基亚砜含量为10%(体积比)时,相对酶活可提高44%。【结论】不依赖于微生物可培养性的宏基因组学技术可以发现新的活性酶,本研究获得的对高温、有机试剂有较好耐受性的酯酶ESTYN1具有在工业生产中应用的潜力。     

宏基因组研究的生物信息学平台现状

由Handelsman et al(1998)提出的宏基因组(metagenome)泛指特定环境样品(例如:人类和动物的肠道、母乳、土壤、湖泊、冰川和海洋等环境)中微生物群落所有物种的基因组。宏基因组技术起源于环境微生物学研究,而新一代高通量测序技术使其广泛应用成为可能。与基因组学研究相类似,目前宏基因组学发展的瓶颈在于如何高效分析高通量测序产生的海量数据,因此,相关的生物信息学分析方法和平台是宏基因组学研究的关键。该文介绍了目前宏基因组研究领域中主要的生物信息学软件及工具;鉴于目前宏基因组研究所采用的"全基因组测序"(whole genome sequencing)和"扩增子测序"(amplicon sequencing)两大测序方法所获得的数据和相应分析方法有较大差异,文中分别对相应软件平台进行了介绍。