基于16S rRNA基因测序分析微生物群落多样性

微生物群落多样性的研究对于挖掘微生物资源,探索微生物群落功能,阐明微生物群落与生境间的关系具有重要意义。随着宏基因组概念的提出以及测序技术的快速发展,16S rRNA基因测序在微生物群落多样性的研究中已被广泛应用。文中系统地介绍了16S rRNA基因测序分析流程中的四个重要环节,包括测序平台与扩增区的选择、测序数据预处理以及多样性分析方法,就其面临的问题与挑战进行了探讨并对未来的研究方向进行了展望,以期为微生物群落多样性相关研究提供参考。     

16S rRNA基因高通量测序分析水性涂料微生物群落结构及多样性

微生物对水性涂料产品的稳定性起着重要作用,本实验以广东省某涂料厂的水性涂料为研究对象,利用16S rRNA基因高通量测序技术检测其微生物群落结构及多样性。结果表明5个水性涂料样本在97%的相似水平下共获得有效序列总数224 801,涵盖了10门16纲30目46科59属的细菌;物种组成与相对多样性由高到低依次分别为A4、A5、A1、A2和A3;水性涂料样本A1、A2和A3微生物群落结构与聚集规律较为相似,优势菌群均为类芽孢杆菌门、芽胞乳杆菌属和固氮菌;水性涂料样本A5中相对丰度为57.3%的产己酸细菌属于特异菌群。本研究解析了水性涂料中微生物群落结构、相对丰度及多样性,为建立和完善水性涂料中微生物防控体系提供理论支撑。     

基于16S rRNA基因高通量测序研究狞猫肠道微生物多样性

[目的]研究狞猫肠道微生物多样性特征。[方法]对7只健康成年野生狞猫（2只雄性,5只雌性;2只来自济南野生动物园,5只来自威海野生动物园）粪便微生物16S rRNA基因V3-V4区进行高通量测序,对狞猫肠道微生物多样性进行研究。[结果] 7只狞猫共获得肠道微生物16S rRNA基因V3-V4区有效序列1458741条,平均208392条,序列平均长度433 bp。通过以97%的序列相似性进行分类,获得操作分类单元（OTU）平均 233个。经序列比对和分类鉴定,这些OTU都属于细菌域,包括13个门,26个纲,43个目,75个科,119个属。其中,丰度最高的细菌门是厚壁菌门（Firmicutes,平均占61.7%）、放线菌门（Actinobacteria,12.42%）、拟杆菌门（Bacteroidetes,7.79%）、梭杆菌门（Fusobacteroidetes,7.79%）和变形菌门（Proteobacteria,7.53%）。丰度最高的科依次是消化链球菌科（Peptostreptococcaceae,平均占16.15%）,梭菌科I（Clostridiaceae_I,14.78%）,毛螺菌科（Lachnospiraceae,13.13%）,红蝽杆菌科（Coriobacteriaceae,12.31%）等。丰度最高的属是柯林斯氏菌属（Collinsella,11.44%）,艰难梭菌属（Peptoclostridium,10.91%）,狭窄梭菌属1（Clostridium_sensu_stricto_1,10.3%）,拟杆菌属（Bacteroides,7.41%）,消化链球菌属（Peptostreptococcus,5.21%）等。7只狞猫的肠道微生物中有平均15.35%的OTU没有归类到属。样本间聚类分析结果表明,来自同一动物园的样本聚为一支。[结论]本文通过高通量测序技术研究了狞猫肠道微生物的组成和多样性特征,为狞猫的救护饲养和消化生理学研究提供基础数据。     

基于高通量测序考察甘肃黄芪种植区根际土壤微生物群落结构及多样性

采用高通量测序技术,考察分析甘肃6个不同黄芪种植区黄芪根际微生物菌群结构特征.结果表明,甘肃黄芪种植的六个地区其根际土壤细菌分属于31个门、97个纲、211个目、330个科、614个属、共1163个种,根际土壤真菌分属于13个门、46个纲、98个目、202个科、412个属、共656个种.细菌在门水平的群落结构特征主要为...     

对不同公司16S rRNA基因MiSeq测序数据的一致性分析

【背景】高通量测序技术已经广泛应用于环境微生物研究的各个领域。不同原理的测序平台以及众多生物公司的出现为各个科研团队提供了各具特色的测序技术支持,在满足了不同研究需要的同时,也产生了多种多样的测序数据。这些基于不同测序平台,以及同一测序平台下不同测序公司所产生的数据之间是否具有通用性,一直以来都是广大科研学者所关注的。【目的】探究同一样品在基于MiSeq测序平台下,不同测序环境以及不同测序深度对实验数据的影响,并进一步探究造成差异的原因,以及这些差异对实验结果的影响。【方法】从鄱阳湖松门山、南矶山、饶河、白沙洲采集底泥沉积物样品,分别在2个公司进行不同测序深度16SrRNA基因V3-V4区高通量测序,并比较分析2组测序数据。【结果】2组数据反映的微生物群落结构在实验样地间的分布规律具有高度的相似性,但稀有微生物的差异导致他们在PCoA以及聚类分析中被分为两簇。关系网络关联分析发现具有较高测序深度的B组数据反映了更为复杂的微生物间相互作用,部分稀有微生物如Deferribacteres(脱铁杆菌门)、Lentisphaerae (黏胶球形菌门)等在群落中发挥着重要的作用。METAGENassist功能预测发现了他们在Atrazine metabolism、Chitin degradation、Sulfate reducer、Nitrogen fixation等14类功能上存在差异。【结论】不同的测序环境对实验数据造成的影响可以通过数据质控过程减弱甚至排除,而测序深度的不同则会对测序数据产生显著影响。这种影响主要体现在较深的测序深度会显著增加稀有微生物的丰富度,进而有利于增强我们对环境微生物群落整体功能的认识。     

16S rRNA基因在微生物生态学中的应用

16S rRNA(Small subunit ribosomal RNA)基因是对原核微生物进行系统进化分类研究时最常用的分子标志物(Biomarker),广泛应用于微生物生态学研究中。近些年来随着高通量测序技术及数据分析方法等的不断进步,大量基于16S rRNA基因的研究使得微生物生态学得到了快速发展,然而使用16S rRNA基因作为分子标志物时也存在诸多问题,比如水平基因转移、多拷贝的异质性、基因扩增效率的差异、数据分析方法的选择等,这些问题影响了微生物群落组成和多样性分析时的准确性。对当前使用16S rRNA基因分析微生物群落组成和多样性的进展情况做一总结,重点讨论当前存在的主要问题以及各种分析方法的发展,尤其是与高通量测序技术有关的实验和数据处理问题。     

基于16S rRNA高通量测序分析大泷六线鱼表皮粘液及肠道内容物微生物多样性

大泷六线鱼(Hexagrammos otakii)是一种具有代表性的高价值冷水性鱼类。通过分析大泷六线鱼表皮粘液及肠道内容物微生物菌群特征,了解其微生物多样性及所携带的自身特有的潜在病原微生物情况。采集设施化车间养殖的大泷六线鱼,提取表皮粘液和肠道内容物基因组DNA,通过16S rRNA高通量测序技术和生物学分析方法,对不同样本的V3+V4区基因文库进行分析。结果表明,大泷六线鱼表皮粘液和肠道内容物样本拥有共同的OTUs为33个,且Venn图呈现了不同来源样本之间的相似性和差异性。Rank-abundance曲线显示了不同样本的均匀度和丰富度,测序数据合理、可信。Alpha指数平均值显示肠道内容物微生物丰富度较高,而表皮粘液微生物多样性较高;Beta多样性显示了不同来源样本间的异质性及同一来源样本间的相似性。从门水平上看,优势菌门均为蓝菌门（Cyanobacteria）、变形菌门（Proteobacteria）、厚壁菌门（Firmicutes）;而属水平结果不同,肠道内容物样本中优势菌属包括Streptophyta、芽孢杆菌属（Bacillus）、杆菌属（Bacillaceae_unclassified）、气单胞菌属（Aeromonas）及弧菌属（Vibrio）,表皮粘液样本中优势菌属包括Streptophyta、气单胞菌属（Aeromonas）、杆菌属（Bacillaceae_unclassified）、香味菌属（Myriudes）、假单胞菌属（Gemmobacter）及弧菌属（Vibrio）。Heatmap热图结果提示,不同微生物菌群结构发挥出不同生物学功能,其中未分类杆菌属、气单胞菌属、弧菌属、假单胞菌属等条件性致病菌的存在均可能导致病害的发生。因此,揭示表皮粘液和肠道内容物样本中微生物的多样性及主要病原菌属的特征对大泷六线鱼健康养殖和疾病防控具有一定的指导意义。     

基于高通量测序分析桃蚜体内微生物群落结构及多样性

为探明桃蚜Myzus persicae体内微生物群落结构及其种类多样性,采用Illumina HiSeq二代测序技术检测桃蚜体内细菌16S rRNA基因和真菌ITS基因序列的方法,分析取食白菜Brassica pekinensis和甘蓝Brassica oleracea的无翅孤雌桃蚜成虫体内微生物群落结构及多样性。研究结果获得桃蚜体内细菌16S rDNA和真菌ITS1优质序列分别为473 750条和472 980条,并根据序列相似性对其进行聚类分析,分别获得959个和1 424个OTUs。基于OTUs分类结果,共注释鉴定细菌类群26个门、55个纲、128个目、227个科、419属、451种,真菌类群10个门、31个纲、77个目、172个科、343属、441种。其中,在门级水平上,取食白菜和甘蓝的桃蚜体内细菌类群均以变形菌门Proteobacteria内的细菌(占73.11%,80.10%)为优势菌;真菌类群均以子囊菌门Ascomycota真菌(占51.91%,50.98%)为优势菌。在属级水平上,取食白菜和甘蓝的桃蚜体内细菌均以布赫纳氏菌属Buchnera(占60.82%,56.11%...     

基于16S rRNA高通量测序技术分析安格斯牛瘤胃微生物多样性和功能预测的研究

本研究旨在系统探索和分析安格斯牛瘤胃微生物多样性及其基因功能。选用体重550 kg左右的安格斯牛6头分成2组,利用基于16S rRNA高通量测序技术检测牛瘤胃液样本进行组学分析。结果表明,2组样本通过Illumina Miseq测序平台共获得86 298条高质量优质序列,聚类为346个操作分类单元(OUT),经分类学鉴定分属13个门,21个纲,24个目,40个科,123个属。拟杆菌门(Bacteroidetes)43.16%和厚壁菌门(Firmicutes)36.29%为优势菌群。基于属的组成,依次为普雷沃氏菌属_7 (Prevotella_7) 29.28%、琥珀酸弧菌科_UCG-001 (Succinivibrionaceae_UCG-001)11.30%、琥珀酸菌属(Succiniclasticum) 11.10%、普雷沃氏菌属_1 (Prevotella_1) 6.65%、瘤胃球菌属_1(Ruminococcus_1) 5.17%、琥珀酸弧菌属(Succinivibrio) 2.75%等。16S功能预测和COG、KEGG代谢通路数据库对比发现,功能集中在氨基酸运输和代谢、碳水化合物转运及代谢的相关基因上,可能含有丰富的蛋白分解、转运及代谢酶相关基因和大量的纤维素以及木质素降解酶基因。经碳水化合物活性酶(CAZymes)注释和KEGG代谢酶数据库比对显示,预测的功能基因糖苷水解酶和糖基转移酶所占比例较高;产乙酸和丁酸相关酶基因丰度较高。安格斯牛瘤胃内含有丰富的蛋白质分解、木质纤维素降解和挥发性脂肪酸生成菌群及酶系,为展示瘤胃微生物多样性,发现和筛选新的功能酶基因提供参考。     

棕榈科植物种子内生细菌群落多样性的高通量测序分析

【目的】探究棕榈科种子内生细菌群落组成及其随物种的差异。【方法】运用MiSeq高通量方法测定蒲葵、棕榈、加拿利海枣、山棕、软叶刺葵、短穗鱼尾葵及三药槟榔7种棕榈科种子内生细菌群落16S rRNA基因V3–V4区序列并进行生物信息学分析。【结果】7种测试种子中获得的V3–V4区有效序列数在2341–40671条之间,聚成97–590个操作分类单元(OTU),Shannon指数计算为1.35–2.94,以加拿利海枣种子最高,山棕种子最低;种群归类结果显示不同种子中测得的各级细菌分类阶层总数及组成不同,总丰度以厚壁菌门的肠球菌属最高,同为厚壁菌门的芽孢杆菌属次之;属级水平上,第一优势细菌属分别为:蒲葵种子(芽孢杆菌属,45.8%),棕榈种子(肠球菌属,51.2%),山棕种子(肠球菌属,12.1%),短穗鱼尾葵种子(肠球菌属,32.6%),三药槟榔种子(肠球菌属,42.9%),软叶刺葵种子(肠球菌属,28.3%),加拿利海枣种子(糖多孢菌属,31.2%)。各种子中次优势细菌属分别为:蒲葵种子(乳球菌属),棕榈、山棕及三药槟榔种子(类芽孢杆菌属),加拿利海枣种子(戈登氏菌属),软叶刺葵和短穗鱼尾葵种子(鞘脂单胞菌属);PICRUST基因预测显示各种子均包含多个与人体器官及人类疾病相关的KEGG功能模块。此外,各种子中均产生了丰度较高的外源物质降解、萜和聚酮合成、多糖合成等有益功能信息。【结论】棕榈科植物种子内生细菌群落多样性较为丰富,群落组成随物种不同而异。各种子内生细菌群体中普遍含多个与人和动物体相关的种群和功能信息,也定殖多种具有益功能性状的细菌类群,值得进一步研究。     

Analysis of bacterial and archaeal diversity in coastal microbial mats using massive parallel 16S rRNA gene tag sequencing

Coastal microbial mats are small-scale and largely closed ecosystems in which a plethora of different functional groups of microorganisms are responsible for the biogeochemical cycling of the elements. Coastal microbial mats play an important role in coastal protection and morphodynamics through stabilization of the sediments and by initiating the development of salt-marshes. Little is known about the bacterial and especially archaeal diversity and how it contributes to the ecological functioning of coastal microbial mats. Here, we analyzed three different types of coastal microbial mats that are located along a tidal gradient and can be characterized as marine (ST2), brackish (ST3) and freshwater (ST3) systems. The mats were sampled during three different seasons and subjected to massive parallel tag sequencing of the V6 region of the 16S rRNA genes of Bacteria and Archaea. Sequence analysis revealed that the mats are among the most diverse marine ecosystems studied so far and consist of several novel taxonomic levels ranging from classes to species. The diversity between the different mat types was far more pronounced than the changes between the different seasons at one location. The archaeal community for these mats have not been studied before and revealed a strong reaction on a short period of draught during summer resulting in a massive increase in halobacterial sequences, whereas the bacterial community was barely affected. We concluded that the community composition and the microbial diversity were intrinsic of the mat type and depend on the location along the tidal gradient indicating a relation with salinity.     

基于高通量测序的4种硝化细菌富集培养物微生物群落结构分析

【目的】比较分析4种硝化细菌富集培养物(以铵盐为氮源的淡水富集物A、以亚硝酸盐为氮源的淡水富集物B、以铵盐为氮源的低温淡水富集物C和以亚硝酸盐为氮源的海水富集物D)的微生物群落结构与组成。【方法】分别提取样品的总DNA,采用高通量测序技术,分析微生物群落的组成、丰度和多样性。【结果】在不同微生物的分类水平,4个样品共检测到24门47纲129属。4个样品的优势菌门均为变形菌门;样品A、B、C的优势菌纲为β-变形菌纲和γ-变形菌纲,样品D的优势菌纲为γ-变形菌纲、δ-变形菌纲和芽孢杆菌纲;而优势菌属各不相同,其中样品A为亚硝化单胞菌属(24.56%),样品B为链霉菌属(7.15%),样品C为噬菌弧菌属(19.36%)和类诺卡氏菌属(19.35%),样品D为嗜酸菌属(13.6%)和柄杆菌属(11.5%)。共检测出7种具有硝化功能的细菌,其中样品A、B和D中主要是亚硝化单胞菌属,占比分别为24.56%、4.94%和0.63%,样品C主要为Nitrospirillum(0.69%)和硝化螺旋菌属(0.69%)。此外在样品中还检测到红灯食烷菌、羽扇豆根瘤菌等有益菌,以及弧菌属、伯克霍尔德菌等致病菌。【结论】阐述了4个样品微生物群落结构的多样性,确定了不同培养物中起主要作用的硝化细菌类群以及其它与环境物质循环相关或具有特殊生理特性的菌群,研究结果为硝化细菌富集培养物的实际应用奠定了基础。     

基于高通量测序的禁牧对土壤微生物群落结构的影响

麋鹿的采食、躺卧和践踏行为均会对栖息地土壤环境造成影响,进而影响土壤微生物群落结构。利用高通量测序技术,分析江苏大丰麋鹿国家级自然保护区禁牧点和补饲点土壤细菌和真菌群落结构差异,并结合土壤理化性质探究禁牧对土壤微生物群落结构的影响。结果表明细菌群落的优势菌门为变形菌门,真菌群落的优势菌门为子囊菌门。禁牧改变了土壤微生物群落结构,在门水平上提高了变形菌门、放线菌门和担子菌门的相对丰度,降低了绿弯菌门、厚壁菌门和子囊菌门的相对丰度,禁牧点与补饲点土壤微生物群落多样性的相似性较低。冗余分析中,细菌受土壤环境因子的影响大于真菌,其中土壤pH是影响细菌和真菌群落最大的土壤环境因子。研究揭示了禁牧对土壤微生物群落结构的影响,为保护区制定麋鹿生境恢复方案提供参考。     

16S rDNA-RFLP分析六氯苯好氧降解菌群的结构及其多样性

从某化工厂排水沟底泥中取样,经2个月的富集驯化得到六氯苯好氧降解菌群。通过测定该微生物菌群在降解六氯苯过程中累积耗氧量、微生物生长曲线及Cl-浓度的变化,证明在好氧条件下该微生物菌群能够以六氯苯为唯一碳源和能源生长。当培养温度为30℃,pH为7.0时,该菌群能在18d内将无机盐培养基中浓度为4.5mg/L的六氯苯降解55%以上,降解速率达到137.5μg/(L.d)。对降解菌群提取总DNA,选择性扩增细菌16S rDNA片段,建立克隆文库。通过限制性内切酶(限制性内切酶HaeⅢ和RsaⅠ)分析,得到9种不同的谱型,其中3种谱型是主要谱型。对主要谱型的克隆子测序,结果表明,它们分别与Alcaligenes和Azospirillum菌属相似性最高。该菌群在去除环境中难降解的有机氯污染物方面具有应用前景。     

基于16S rRNA基因序列分析法比较苏尼特双峰驼和阿拉善双峰驼自然发酵酸驼乳的微生物多样性

【目的】传统发酵乳制品是一类未经任何处理自然发酵而成的,其微生态环境未遭破坏,从而乳酸菌的生物学特性和基因多样性得到了很好的保留,具有开发和利用价值。自然发酵酸驼乳常用来治疗多种疾病且效果良好,与其中丰富的乳酸菌资源有着密不可分的联系。然而,目前有关自然发酵酸驼乳微生物菌群及多样性相关研究甚少。因此进一步挖掘内蒙古地区双峰驼自然发酵酸驼乳微生物群落结构和多样性是至关重要的。【方法】本研究采用IlluminaMiseq测序技术,测定了苏尼特和阿拉善双峰驼的自然发酵酸驼乳中微生物16S rRNA V3–V4区序列,并对群落结构和多样性进行了比较分析。【结果】多样性分析表明,苏尼特双峰驼酸驼乳中微生物群落丰富度和种群差异性比阿拉善双峰驼酸驼乳大,细菌多样性也高。在门水平上,苏尼特和阿拉善双峰驼酸驼乳中的菌群均以厚壁菌门(Firmicutes)和变形菌门(Proteobacteria)为主。在属水平上,苏尼特双峰驼酸驼乳主要以乳杆菌属(Lactobacillus)和乳球菌属(Lactococcus)为优势菌群,阿拉善双峰驼酸驼乳以乳杆菌属(Lactobacillus)和醋酸杆菌属(Acetobacter)为优势菌属。此外,肠杆菌属(Enterobacter)、拉乌尔菌属(Raoultella)和明串珠菌属(Leuconostoc)等的含有食源性致病菌和环境污染菌的菌属被检出。综上所述,不同地区不同品种酸驼乳的乳酸菌种类及优势菌群有较大差异,存在显著的地理差异。【结论】通过本研究,不仅对苏尼特和阿拉善双峰驼自然发酵酸驼乳乳酸菌的组成和种类有了明确的认知,为评估发酵酸驼乳微生物群落对消费者身体健康的影响提供了数据基础的同时为今后筛选优势菌群和挖掘新型益生菌奠定基础。     

Turkey fecal microbial community structure and functional gene diversity revealed by 16S rRNA gene and metagenomic sequences

The primary goal of this study was to better understand the microbial composition and functional genetic diversity associated with turkey fecal communities. To achieve this, 16S rRNA gene and metagenomic clone libraries were sequenced from turkey fecal samples. The analysis of 382 16S rRNA gene sequences showed that the most abundant bacteria were closely related to Lactobacillales (47%), Bacillales (31%), and Clostridiales (11%). Actinomycetales, Enterobacteriales, and Bacteroidales sequences were also identified, but represented a smaller part of the community. The analysis of 379 metagenomic sequences showed that most clones were similar to bacterial protein sequences (58%). Bacteriophage (10%) and avian viruses (3%) sequences were also represented. Of all metagenomic clones potentially encoding for bacterial proteins, most were similar to low G+C Gram-positive bacterial proteins, particularly from Lactobacillales (50%), Bacillales (11%), and Clostridiales (8%). Bioinformatic analyses suggested the presence of genes encoding for membrane proteins, lipoproteins, hydrolases, and functional genes associated with the metabolism of nitrogen and sulfur containing compounds. The results from this study further confirmed the predominance of Firmicutes in the avian gut and highlight the value of coupling 16S rRNA gene and metagenomic sequencing data analysis to study the microbial composition of avian fecal microbial communities.