宏基因组方法揭示草地土壤微生物群落响应全球变化

草地在生物圈中发挥着重要的生态服务功能,而草地土壤微生物又是维持生态系统功能和稳定的关键要素之一。过去十几年间,宏基因组方法的进步为微生物群落分析提供了有力的工具。本文综述了宏基因组方法应用于草地土壤微生物群落响应全球变化的最新研究进展,特别是针对气候变化、大气组成变化、土地利用方式改变和外来物种入侵等条件下微生物群落的响应规律和反馈机制的研究。这些研究对于我们认识和了解微生物群落的生态功能十分重要,同时也对维持地球生态系统平衡具有积极的意义。最后,我们对未来应用宏基因组方法研究草地微生物群落进行了展望。     

微生物宏基因组数据分析方法研究进展

随着测序技术的迅速发展,人们对宏基因组的研究逐渐深入。通过宏基因组学对微生物群落的测序和分析,以理解微生物组成与环境之间的相互作用。微生物宏基因组的分析摆脱了传统研究中微生物分离培养的技术限制,并获得了微生物群落的相对丰度和群落的功能等信息。用于微生物数据分析的工具和软件较多,对于研究者选择合适的分析方法具有一定困难。概述了微生物宏基因组分析方法的流程,总结了分析中常用的工具及软件,为研究者快速筛选分析方法,揭示数据背后的生物学意义提供参考。     

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。     

宏基因组克隆技术

环境中约99.8%的微生物不能用常规的微生物学方法培养,这样就使得绝大部分微生物资源的开发利用受到制约,而宏基因组克隆技术的产生则克服了对不可培养微生物研究的困难。到目前为止,通过宏基因组克隆技术已经获得了许多新的抗生素和酶的基因,而且随着该技术的不断完善将会加大有用分子发现的几率和对复杂微生物群落功能的了解。     

宏基因组分析城市休闲水域九山湖的微生物群落结构和抗性基因

【背景】城市水环境正面临着严峻的抗生素抗性基因(antibiotic resistance genes,ARGs)污染。然而关于城市休闲水域中ARGs的研究较少。【目的】对城市休闲水域夏冬季节的微生物群落和抗性基因组成进行研究分析,促进对休闲水域水生生态系统的认识。【方法】基于高通量测序技术,对休闲湖泊九山湖夏季和冬季的微生物及ARGs组成进行分析。【结果】在夏季和冬季样本中分别检测到148门和152门。变形菌门(Proteobacteria)和放线菌门(Actinobacteria)是两个季节样本的主要菌门。夏季优势属为聚球藻属(Synechococcus),冬季优势属为Liminohabitans。此外,共鉴定出449种抗性基因型(304种是两个季节所共有的抗性基因,66种是夏季特有的抗性基因,79种是冬季特有的抗性基因)。夏季样本中ARGs的相对丰度显著高于冬季。MCR-1.2和BcI分别是夏季和冬季水样的主要ARGs。九山湖样本检测到的抗性基因的耐药机制主要是抗生素外排、抗生素失活或抗生素靶位改变。冗余分析(redundancy analysis,RDA)和典型对应分析(canonical correspondence analysis,CCA)结果表明,环境因子与微生物群落和抗性基因的分布显著相关。【结论】九山湖冬季和夏季的微生物群落结构和抗性基因组成存在明显差异,为进一步认识和了解城市休闲水生生态系统的结构提供了有用的信息,并强调了水体的ARGs污染可能造成的健康危害。     

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。     

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。     

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.     

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。     

应用宏基因组纳米孔测序技术分析流行性腮腺炎样病例病原体

为了解流行性腮腺炎样病例可能的病原体,本研究采用宏基因组纳米孔技术检测22例流行性腮腺炎样病例(病例组)和17例健康人群(对照组)的腮腺管口拭子中可能的病原。针对在病例组和对照组样本测序中发现的可疑病原体,应用实时荧光PCR进行检测确认。同时应用SPSS 23.0软件对两组的检测结果进行统计分析。宏基因组测序结果发现病例组和对照组未发现有统计学差异的致病细菌。人副流感病毒3型(Human parainfluenza virus3, HPIV-3)只在病例组5例病例中检出,而人疱疹病毒7型(Human herpesvirus 7, HHV-7)分别在病例组和对照组中的4例和6例病例中检出。实时荧光PCR验证结果与宏基因组测序结果一致。进一步分析发现,病例组和对照组的HPIV-3检出率的差异具有统计学意义(χ²=9.186,P=0.011),而HHV-7检出率无统计学意义(χ²=0.364,P=0.393)。本研究结果提示HPIV-3可能是调查地区导致流行性腮腺炎样病例的病原体,在今后对流行性腮腺炎诊断并报告时应注意鉴别,并加强病原学监测和检测。     

宏基因组的生物信息分析

基于高通量测序的宏基因组学研究是近年来的研究热点之一。宏基因组的生物信息分析正在逐渐完善成熟．各种分析软件和流程的开发与应用,极大地促进了宏基因组研究的发展,特别是在遗传与进化、基因发现、宏基因组和人类疾病的相关研究等方面取得了显著成果。本文旨在结合宏基因组学的研究内容和研究方向,对宏基因组的生物信息分析方法进行综述,探讨宏基因组的生物信息分析面临的机遇和挑战。     

宏基因组学研究进展

不可培养微生物占据微生物总数的99%以上, 这己成为微生物资源开发利用的一个限制性因素。宏基因组学是通过提取某一环境中的所有微生物基因组DNA、构建基因组文库及对文库进行筛选寻找和发现新的功能基因及活性代谢产物的一种方法。它避开了微生物分离培养的过程, 极大地扩展了微生物资源的利用空间, 是现代基因工程一个新的发展方向和研究热点。本文主要对宏基因组的DNA提取方法、文库的构建、筛选策略的选择及近年来宏基因组学在各领域中的应用研究现状进行了综述。     

一种基于PCR分析多样性的小鼠肠道微生物宏基因组提取方法

目的建立一种基于PCR分析分子多样性的小鼠肠道菌群宏基因组提取方法。方法比较、综合国内外小鼠肠道菌群宏基因组的提取方法后建立一种新方法,小鼠肠道内容物经丙酮洗涤,差速离心,溶菌酶、SDS裂解,CTAB处理,酚／氯仿抽提后可得到高质量的DNA,通过紫外分光光度计、琼脂糖凝胶电泳、细菌通用引物PCR和扩增核糖体限制性酶切片段分析（ARDRA）等检测该方法的实用性。结果该方法获得的小鼠肠道菌群宏基因组DNA大小在23kb左右,A260／A280在1．8—2．0,经细菌通用引物PCR后能得到适用于ARDRA的目的产物。结论该方法经济适用性较强,具备一定的应用价值。     

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。     

山羊瘤胃微生物宏基因组BAC文库的构建与分析

从山羊瘤胃液中提取混合微生物DNA,经BamHI部分酶切得到50kb～800kb的DNA片段后,将其连接到pCCIBAC载体上,转化E．coliEPI300,建立山羊瘤胃微生物BAC文库。经RFLP鉴定分析,该文库12672个克隆,平均插入片段为6lkb。该文库的构建为后续新型基因的筛选提供了材料,为进一步研究山羊瘤胃微生物奠定了基础。     

基于宏基因组技术分析全球不同温度带土壤微生物多样性

【背景】温度在塑造大尺度的土壤微生物群落方面发挥了重要作用,但目前针对全球不同温度带大尺度土壤微生物多样性方面的研究十分缺乏。【目的】明确不同温度带大尺度土壤微生物组成和功能的差异变化。【方法】从宏观的角度运用宏基因组技术对不同温度带土壤微生物群落的组成和功能进行分析。【结果】细菌的物种多样性随着温度带纬度的升高而增多,真菌的物种多样性在温带最多,在寒带最小且假丝酵母属(Candida)占绝对优势。3个温度带间除物种多样性存在差异外,微生物群落中物种丰度差异也较大,优势属和特殊属各有不同。其中值得注意的是,假单胞菌属(Pseudomonas)和芽孢杆菌属(Bacillus)的丰度在不同温度带间存在显著差异,且随着温度带纬度的升高而增多,而链霉菌属(Streptomyces)、地嗜皮菌属(Geodermatophilus)、红色杆菌属(Rubrobacter)和小单孢菌属(Micromonospora)的丰度随温度带纬度的升高而降低。在功能方面,发现与翻译后修饰、蛋白质周转、伴侣(posttranslational modification, protein turnover, chap...     

蟋蟀肠道细菌多样性的宏基因组分析

【目的】了解油葫芦属蟋蟀成虫前中肠和后肠肠道细菌的多样性。【方法】首先,基于mtDNA-16S rRNA基因对蟋蟀进行分子鉴定,然后从蟋蟀前中肠和后肠分别提取总DNA,再使用Illumina Miseq平台进行细菌16S rRNAv3-v4变异区进行测序,最后分析蟋蟀肠道微生物的群落组成和多样性。【结果】蟋蟀mtDNA-16S rRNA基因分析结果显示归属于油葫芦属,暂时命名为平顶山油葫芦。细菌16SrRNA基因宏基因组测序分析,前中肠共获得21799条reads,857个操作分类单元(Operational taxonomic unit,OUT),后肠获得16 515条reads,2155个OUT。99%的蟋蟀肠道细菌归属于变形菌门(Proteobacteria)、厚壁菌门(Firmicutes)和拟杆菌门(Bacteroidetes)。前中肠归入232个属,前5个属分别是:乳球菌属(33.47%),泛菌属(21.50%),肠杆菌属(15.47%),沃尔巴克体属(9.47%)和魏斯菌属(5.34%);后肠归入152个属,前5个属分别是:未分类的瘤胃球菌科成员(Unclassified Ruminococcaceae)(30.07%),Parabacterides(10.93%),Incertae sedis(9.74%),Alistipes(5.86%),类杆菌属(5.50%),Dysgonomonas(4.91%)。【结论】mtDNA-16S rRNA是油葫芦属分子鉴定的有效工具。蟋蟀肠道含有丰富的微生物资源,为后续的肠道微生物资源开发奠定了基础。     

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.     

宏基因组分析城市休闲水域九山湖的微生物群落结构和抗性基因（英文）

【背景】城市水环境正面临着严峻的抗生素抗性基因(antibiotic resistance genes,ARGs)污染。然而关于城市休闲水域中ARGs的研究较少。【目的】对城市休闲水域夏冬季节的微生物群落和抗性基因组成进行研究分析,促进对休闲水域水生生态系统的认识。【方法】基于高通量测序技术,对休闲湖泊九山湖夏季和冬季的微生物及ARGs组成进行分析。【结果】在夏季和冬季样本中分别检测到148门和152门。变形菌门(Proteobacteria)和放线菌门(Actinobacteria)是两个季节样本的主要菌门。夏季优势属为聚球藻属(Synechococcus),冬季优势属为Liminohabitans。此外,共鉴定出449种抗性基因型(304种是两个季节所共有的抗性基因,66种是夏季特有的抗性基因,79种是冬季特有的抗性基因)。夏季样本中ARGs的相对丰度显著高于冬季。MCR-1.2和BcI分别是夏季和冬季水样的主要ARGs。九山湖样本检测到的抗性基因的耐药机制主要是抗生素外排、抗生素失活或抗生素靶位改变。冗余分析(redundancy analysis,RDA)和典型对应分析(can...     

宏基因组二代测序诊断肺隐球菌病2例

肺隐球菌病是最常见的肺部真菌感染之一,临床及影像学上缺乏特异性,容易误诊及漏诊。肺隐球菌病的诊断多依赖于病原学及组织病理学。近年来兴起的宏基因组二代测序技术,为感染性疾病的早期快速诊治提供了新的思路。本文报道2例既往无免疫抑制性基础疾病,无明显呼吸道症状及阳性体征,仅体检胸部CT发现肺野外带圆形实性结节灶,最终经支气管肺泡灌洗液宏基因组二代测序技术迅速诊断、及时治疗的肺隐球菌病患者的临床特征及诊治经过。