微生物组大数据管理与分析

高通量技术的迅猛发展促使微生物生态学研究获得了重大突破,掀起了元基因组学(Metagenomics)研究的热潮。元基因组学通常被定义为对未培养的环境样本中微生物群体的DNA序列分析。随着微生物组学数据的日益剧增,微生物大数据的高效管理与分析越来越受到研究者的关注。如何从海量的微生物组数据中挖掘出具有科研价值的数据信息并应用于实际问题成为当前的研究热点。目前已有很多计算生物学程序工具及数据库用于元基因组数据的分析与管理。本文主要综述了随着高通量测序技术的进步,国际上主要的微生物组计划及微生物组数据平台,如人类微生物组项目(human microbiome project,HMP)、地球微生物组项目(earth microbiome project,EMP)、欧盟的肠道微生物组计划(metagenomics of human intestinal tract,MetaHIT)、MG-RAST、i Microbe、整合微生物组(integration microbial genomes,IMG)以及EBI Metagenomics等;介绍了微生物数据分析的主要流程与工具;提出了建设多源异构的微生物生态数据管理与分析系统的必要性。     

微生物组测序与分析专家共识

在过去的十几年,微生物组相关研究和应用持续升温。微生物组逐渐成为生命科学、环境科学和医学等领域的研究焦点。与此同时,全球多个国家和组织也都积极发起各自的微生物组计划,进行多方面的布局,力争在这一具有广阔前景的领域获得战略地位。此外,无论是科研还是产业应用已经迎来了研究高潮和投融资热潮,微生物组相关产品和服务也不断出现。然而,行业在快速发展的同时,也存在一些不足。由于微生物组测序和分析相关技术和方法发展迅速,各国研究和应用尚未在技术、方案和数据等标准上达成统一,国内行业参与者对微生物组也存在认识不足,对微生物组相关新方法、新技术、新理论等还未能充分掌握和使用。除此之外,已有的一些标准和指南,内容过于简单,实操性也不足,这不仅给科研数据的整合造成了困难和资源浪费,还给相关企业进行不良竞争、以次充好提供了机会。更重要的是,我国尚缺乏微生物组相关的国家标准,国家微生物组计划仍处于筹备过程。在此背景下,中国生物工程学会、中国科学院微生物研究所于2019年6月至2020年3月,共同设立了"微生物组测序与分析专家共识"专项研究课题。中国生物工程学会组织了微生物组相关领域的27位专家以及来自行业内的3...     

组学视角下养殖动物消化道微生物组结构与功能研究进展北大核心

养殖动物消化道中含有大量的微生物,不仅参与动物对营养物质的消化和吸收,还对宿主生长发育及免疫起重要调节作用。动物消化道微生物组研究是目前国内外的热点领域,取得了一系列重要研究进展。深入了解养殖动物消化道微生物组的结构与功能,将为今后调控和应用消化道微生物、提高动物生产性能、改善动物胃肠道健康和实现绿色健康养殖奠定理论基础。本文以4种代表性养殖动物(牛、羊、猪和鸡)为主体,对组学视角下其消化道微生物群落结构、功能等研究进展进行总结和分析;并对未来研究方向进行展望。     

454测序技术在微生物生态学研究中的应用

以Sanger法(双脱氧核苷酸末端终止法)为代表的第1代测序技术由于其成本高、速度慢、通量低等不足,满足不了大规模测序的要求.进入21世纪后,以Roche 454为代表的第2代测序技术诞生了,454测序法作为一种高通量的测序方法,近年来已被广泛应用于微生物生态学研究中.介绍了该测序技术的原理和操作步骤,结合本实验室的研...     

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。     

微生物组学研究的“淘金时代”

人体及动物肠道中生存着数量庞大的共生微生物;这些微生物无时无刻不参与着宿主的生命活动。揭示这些共生微生物在宿主体内的变化规律、与宿主之间的依存和博弈关系等,将使人类更加全面的认知高等生物体的生命本质。本专刊从肠道微生物与疾病、肠道微生物群落结构、肠道微生物与宿主互作、肠道微生物资源和肠道微生物研究方法 5个层面展示了我国科研工作者在肠道微生物研究领域的新进展及新观点。     

吸烟对健康人群唾液微生物组的影响

【背景】吸烟是重要的公共健康问题,可能通过改变唾液微生物组影响口腔健康甚至全身健康。【目的】探究吸烟对中国健康人群唾液微生物组的影响,为研究吸烟在疾病发展中的作用提供线索。【方法】收集167位健康个体的唾液样本,利用HiSeq高通量测序技术对样品中16S rRNA基因V3-V4区进行测序,分析比较吸烟者和非吸烟者的唾液微生物组的多样性、群落结构和物种丰度,并预测功能组成,探究吸烟对唾液微生物组的影响。【结果】吸烟对唾液微生物组的α多样性影响较小,但是在微生物组组成上,吸烟组中奈瑟菌属、艾肯菌属、二氧化碳嗜纤维属等细菌明显减少,而普雷沃氏菌属、韦荣氏球菌属、放线菌属、奇异菌属和巨球型菌属等细菌明显增加。在功能上,PICRUSt的预测结果显示吸烟组富集不依赖氧气的代谢功能,非吸烟组富集需要氧气参与的代谢功能。【结论】吸烟可能会通过改变唾液微生物组,造成微生物组功能途径的变化,进而引发与吸烟相关的疾病。     

昆虫肠道的宏基因组学:微生物大数据的新疆界

微生物作为自然界中普遍存在的生命体,通常以"微生物群落"的形式共存。这些物种相互协作适应环境变化的同时,也对环境产生了长期而深刻的影响。随着人类对于微生物了解的深入,微生物群落基础研究及其在健康和环境等领域的应用研究日益重要。昆虫肠道内存在种类繁多、数量庞大的微生物,一方面,这些肠道微生物种群结构的多样性与昆虫种类、龄期、消化道形式、食物的来源、环境等都息息相关。另一方面,这些菌群也对宿主的一些生理活动有着一定的影响。随着高通量测序技术、组学技术的发展,昆虫肠道宏基因组大数据挖掘和应用已经成为研究热点,极大地推动人类微生物资源利用的能力。本文概述了昆虫肠道微生物宏基因组学的发展现状和发展趋势,特别是肠道宏基因组学大数据的挖掘工具和应用,以及现阶段昆虫肠道宏基因组学的研究进展、应用、优势和瓶颈,并对今后昆虫肠道微生物组大数据研究方向进行展望。     

妊娠妇女与无性生活女性阴道分泌物微生物组学分析

目的 探讨妊娠妇女与无性生活女性阴道分泌物中菌群结构差异,为临床女性泌尿生殖系统疾病研究提供可靠的依据。方法 运用高通量二代测序技术检测20例妊娠妇女和29例无性生活女性阴道分泌物中微生物;采用秩和检验进行组间显著性差异分析,使用生物信息学软件进行数据处理。结果 49份样本共注释出14个门、23个纲、33个目、28个科、38个属和23个种水平物种。妊娠妇女与无性生活女性阴道分泌物中菌群结构差异显著。妊娠妇女在种水平仅有Atopobium vaginae、Campylobacter ureolyticus、Lactobacillus coleohominis、德氏乳杆菌、瑞氏乳杆菌、惰性乳杆菌、罗伊乳杆菌、白假丝酵母和近平滑假丝酵母共9个物种。结论 妊娠能引起女性阴道分泌物菌群结构发生改变,且菌种数量明显减少。Lactobacillus coleohominis和德氏乳杆菌可能在维持妊娠妇女阴道菌群平衡和自净作用中起到关键性作用。     

口腔微生物群与牙周病

口腔微生物群作为人体微生物群的重要组成部分,种类繁多、组成复杂,其组成和比例与各类口腔疾病密切相关。牙周炎是一种多微生物的复合感染,它由口腔内微生物群中潜在的致病微生物丰度增加引起,这些微生物通过介导炎症反应及调节口腔微生物群的基础营养环境而致病。本文综述了近年来口腔微生物群与牙周疾病之间的关系及相关影响因素,并分析了目前牙周病微生物群研究的挑战与瓶颈,为将微生物群作为预防、诊断和治疗牙周相关疾病的生物标记物并进一步应用于临床提供理论基础。     

基于数字地形模型的斑头雁潜在生境分析

建立了青藏高原地区的数字地形模型,并将其应用在斑头雁(Anser indicus)的潜在生境提取与分析中。通过数字高程模型、水系模型、湖泊及环湖活动区模型和植被模型的GIS叠置,提取了斑头雁的潜在生境,并对来自青海湖的11只斑头雁的卫星跟踪数据进行了验证分析。结果表明,斑头雁的潜在生境(湖泊与环湖活动区构成)共有275处(以湖泊为单位),湖泊水体总面积约为10306.4km2,59处生境已验证有斑头雁停留的踪迹,其中部分湖泊周围的验证点可能是斑头雁飞行时的定位点而不是停留定位点,目前还无法证实。繁殖地、迁徙停留地和越冬地比较集中,迁徙路线较固定。     

印度Ladakh地区斑头雁的数量、种群结构和栖息地利用

于 1998、 2 0 0 0和 2 0 0 2年在印度的Ladakh地区进行了野外考察以研究斑头雁的繁殖行为和种群大小。Ladakh地区的斑头雁集小群在淡水湖泊中的小岛上进行繁殖 ,不在树上和悬崖上繁殖。 5月份开始产卵。群内孵化的同步性较低。盐水湖岸上没有观察到进行繁殖或带有幼雏的斑头雁。作者所调查的Ladakh地区有 35 0 - 10 0 0只斑头雁 ,该物种的数量满足了Ramsar公约的有关规定 ,建议将该地区列为国际重要地区     

MHC class I loci of the Bar-Headed goose (Anser indicus)

MHC class I proteins mediate functions in anti-pathogen defense. MHC diversity has already been investigated by many studies in model avian species, but here we chose the bar-headed goose, a worldwide migrant bird, as a non-model avian species. Sequences from exons encoding the peptide-binding region (PBR) of MHC class I molecules were isolated from liver genomic DNA, to investigate variation in these genes. These are the first MHC class I partial sequences of the bar-headed goose to be reported. A preliminary analysis suggests the presence of at least four MHC class I genes, which share great similarity with those of the goose and duck. A phylogenetic analysis of bar-headed goose, goose and duck MHC class I sequences using the NJ method supports the idea that they all cluster within the anseriforms clade.     

环青海湖斑头雁种群数量动态模拟及趋势分析

斑头雁是青海湖候鸟中的优势种之一,其未来种群数量的变化对青海湖的保护决策具有重要作用。利用STELLA图形化建模软件,从动力学出发,构建了青海湖地区斑头雁种群数量变化的动态模型。在该模型中,根据前人和青海湖自然保护区对斑头雁的观测研究结果,设置了班头雁的交配、产卵、孵卵、育幼、迁入、迁出、死亡等过程的模型参数。根据斑头雁在青海湖的活动时间,设置以年为模拟单位,选取1/7为模拟步长,对未来25年的青海湖斑头雁种群变化趋势进行了模拟,并进行了灾害模拟。模拟结果表明,未来青海湖斑头雁的最大种群数量,将在20 000余只的饱和数量之内变化。2006—2008年斑头雁观测数据验证表明,该模型模拟结果可信,其方法对青海湖的其他鸟类研究也具有一定的参考价值。     

青海湖斑头雁粪便细菌分离鉴定与耐药性分析

为了解斑头雁(Anser indicus)粪便中携带细菌多样性及其耐药情况,对青海湖斑头雁粪便细菌进行分离培养、生化鉴定、16S r RNA基因PCR扩增和序列分析,并进行细菌耐药性试验。结果显示:从30份斑头雁粪便中共分离到123株细菌,可分为10类细菌,分别从每类细菌中挑出一株代表性菌株进行鉴定,鉴定结果显示这10株细菌分别为大肠埃希菌(Escherichia coli)、水生拉恩氏菌(Rahnella aquatilis)、蒙氏肠球菌(Enterococcus mundtii)、枯草芽孢杆菌(Bacillus sublitis)、柠檬节杆菌(Arthrobacter citreus)、腐败希瓦氏菌(Shewanella pulrefaciens)、河生肠杆菌(Enterobacter amnigenus)、成团泛菌(Pantoea agglomerans)、杀鲑气单胞菌(Aeromonas salmonicida)和产酸克雷伯菌(Klebsiella oxytoca)。选取氨苄西林、哌拉西林、阿莫西林/克拉维酸、头孢唑林、头孢他啶、氨曲南、庆大霉素、卡那霉素、阿米卡星、四环素、氯霉素、环丙沙星、诺氟沙星药敏纸片,对分离菌株进行耐药性分析,发现水生拉恩菌、杀鲑气单胞菌和成团泛菌表现为多重耐药性;其他细菌对氨苄西林和四环素有一定的耐药性,对其余受试药物都有不同程度的敏感性。野鸟携带耐药性的条件致病菌,可能会对野生动物健康造成威胁,本研究对斑头雁粪便中携带的条件致病菌及其耐药性进行探究,以期为野鸟携带细菌的耐药机制提供研究理论依据,同时也对野生动物疫病的监测与防控有重要意义。     

甘肃盐池湾斑头雁巢址选择

2019年4至6月,采用定点观察法和样方法研究甘肃盐池湾国家级自然保护区斑头雁(Anser indicus)巢址选择。研究期间共发现斑头雁巢332个,斑头雁在繁殖期有3种营巢生境,即浅水沼泽、湖心小岛以及山崖,其巢址类型有草垛巢、地面巢和山崖裸岩巢3种。浅水沼泽、湖心小岛以及山崖3种营巢生境中窝卵数分别为(4.7±2.7)枚(n=204)、(4.2±1.9)枚(n=108)及(3.1±0.6)枚(n=20),孵化成功率分别为48.65%(n=199)、45.27%(n=148)及24.00%(n=25),繁殖成功率分别为66.67%(n=42)、74.28%(n=35)及36.36%(n=11)。主成分分析显示,影响浅水沼泽生境中斑头雁巢址选择的主要环境因素依次为水源因素、隐蔽因素、干扰因素和食物因素;影响湖心小岛生境中斑头雁巢址选择的主要环境因素依次为隐蔽因素、食物因素、干扰因素;影响山崖生境中斑头雁巢址选择的主要环境因素依次为地形因素、食物及水源因素、干扰因素。本研究表明,斑头雁在不同营巢生境中,巢址选择的最主要环境因素并不相同,主要依赖生境特征及周围环境因素特征。     

Isolation and characterization of microsatellite marker loci in the greylag goose (Anser anser)

Ten novel polymorphic microsatellite loci were isolated and characterized from the greylag goose, Anser anser, a long-term monogamous and biparental bird. Additionally, five new primers pairs were designed based on previously published microsatellite locus sequences from closely related species. Multiplex polymerase chain reactions conditions were optimized for all 15 primer pairs. The number of alleles ranged from two to 12 per locus with an observed heterozygosity ranging from 0.07 to 0.85. This marker set will be used to determine rates and origins of extra-pair and parasitic young in a population of individually banded greylag geese with known life histories.     

Chewing Lice of Swan Geese (Anser cygnoides): New Host-Parasite Associations

Chewing lice (Phthiraptera) that parasitize the globally threatened swan goose Anser cygnoides have been long recognized since the early 19th century, but those records were probably biased towards sampling of captive or domestic geese due to the small population size and limited distribution of its wild hosts. To better understand the lice species parasitizing swan geese that are endemic to East Asia, we collected chewing lice from 14 wild geese caught at 3 lakes in northeastern Mongolia. The lice were morphologically identified as 16 Trinoton anserinum (Fabricius, 1805), 11 Ornithobius domesticus Arnold, 2005, and 1 Anaticola anseris (Linnaeus, 1758). These species are known from other geese and swans, but all of them were new to the swan goose. This result also indicates no overlap in lice species between older records and our findings from wild birds. Thus, ectoparasites collected from domestic or captive animals may provide biased information on the occurrence, prevalence, host selection, and host-ectoparasite interactions from those on wild hosts.     

Histological and histochemical studies of the gall bladder of the graylag goose (Anser anser)

ABSTRACT

We investigated the histological structure of the graylag goose (Anser anser) gall bladder. Sections of the gall bladder were stained with hematoxylin and eosin (H & E), Alcian blue (pH 2.5) for acid mucopolysaccharides, Gomori’s method for reticular fibers, Masson’s trichrome, periodic acid-Schiff (PAS) and Verhoeff’s elastin stain. The goose gall bladder was composed of a tunica mucosa, tunica muscularis and tunica adventitia or tunica serosa. The tunica mucosa formed regularly distributed simple isometric folds plus larger, less numerous, branched folds. The luminal surface was lined by tall columnar epithelial cells that stained for both acid and neutral mucopolysaccharides. The epithelial cells formed a discontinuous striated border of interdigitating microvilli on the luminal surface. Neither a lamina muscularis nor goblet cells were observed in the tunica mucosa. Unusual findings included branched mucosal folds, discontinuous microvilli and absence of an outer longitudinal layer in the tunica muscularis. No marked sex-associated differences were found. The general histochemical and histological structures of the graylag goose gall bladder are similar to those of birds such as chukar partridge and quail, but with some unique elements that may reflect differences in organ function.     

A preliminary analysis of the diet composition of overwintering Bean geese (Anser fabalis) and greater white-fronted geese (A. albifrons) in Korea using PCR on fecal samples

Bean geese (Anser fabalis) and Greater white-fronted geese (Anser albifrons) are the dominant wintering waterfowl in South Korea. Although they are commonly observed in estuaries and rice fields during the winter, the diet composition of the geese during the winter has rarely been studied. In this study, we provide the results from preliminary analyses on the diet of these two geese species overwintering in Daebu Island of South Korea. We used a total of 13 fecal samples from Bean geese (n?=?4) and Greater white-fronted geese (n?=?9), and performed a BLAST search for the sequences obtained from 87 clones (n?=?36 for Bean geese and n?=?51 for Greater white-fronted geese). The diet of Bean geese consisted of five families of plants: Caryophyllaceae (75.0%), Poaceae (13.9%), Asteraceae (5.5%), Polygonaceae (2.8%) and Cucurbitacea (2.8%). On the other hand, the diet of Greater white-fronted geese consisted of 6 families of plants: Poaceae (74.5%), Caryophyllaceae (9.8%), Solanacea (5.9%), Portulacaceae (3.9%), Lamiaceae (3.9%) and Brassicaceae (2.0%). We found that plants of the rice family (Poaceae) are important in the diet of wintering geese, especially for Greater white-fronted geese. This knowledge can be used to establish conservation strategies of the geese overwintering in South Korea.