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。     

基于SMRT测序技术的16S rRNA基因全长测序及其分析方法

被称为第三代测序技术的单分子测序是最近几年发展起来的高通量测序技术。其中,由Pacbio Bio Sciences公司开发的单分子实时测序技术(SMRT)是最先商用的技术。SMRT测序技术通过对模板序列循环测序产生环形一致序列(CCS),成功克服第三代测序技术准确率低的弊病。通过SMRT测序技术,科学家可以更深入准确地探究复杂环境微生物的结构和功能。介绍SMRT测序技术在微生物16S rRNA基因测序中的优势和劣势,并就基于SMRT测序技术所得的全长16S rRNA基因序列的质量控制、错误序列排除、聚类和注释分析等重要分析环节进行概述,同时,提出利用SMRT测序技术研究复杂环境微生物可能存在的问题及其解决方法,期望能为研究人员提供参考。     

16S rRNA基因高通量测序法分析黄河太岁细菌的多样性

【背景】太岁在我国的记载由来已久,《神农本草经》记载其具有扶正固本、轻身不老的功效。但是,太岁作为一种生物体,它的组成分类尚不明确,因而其药用价值得不到有效的科学验证。因此,利用各种生物技术和手段来客观地分析太岁的成分,为利用和开发太岁提供科学依据。【目的】检测太岁(编号D15112285)中所含细菌的种类,探究太岁中可能存在的原核微生物的种类及其之间的关系。【方法】采用Illumina MiSeq 2×250系统对黄河太岁的细菌16S rRNA基因(V4区)进行研究,利用FLASH等软件对数据进行分析。【结果】共获得OTU(Operational taxonomical unit)626条,涉及19门49纲80目107科112属。在属的水平上前十的优势菌群有Bacteroides、Coprococcus、Escherichia、Ruminococcus、Lactobacillus、[Ruminococcus]、Oscillospira、Faecalibacterium、Shewanella和Halomonas。【结论】黄河太岁中存在多种不同种类的细菌。     

低能N~+注入介导的沙漠寡营养细菌基因组SNP研究

为了深入认识低能N~+注入对细菌基因组的进化与突变的作用,本研究在低能N~+注入介导外源基因转化沙漠寡营养细菌DOB150的基础上,通过生物信息学方法对3株重组突变的DOB基因组的单核苷酸多态性进行了分析,共发现192 357个SNP位点。其中重组突变菌株DOB073和DOB113的SNPs类型和数量基本相等,而重组突变菌株DOB981的SNPs类型丰富且数量大。DOB073和DOB113基因组中SNP数目约为0.005个/kb,DOB981约为37.620个/kb。在3株重组突变菌的基因组的SNPs中,AG转换所占比例均为最高。根据SNPs绘制的DOB基因组系统发育树显示,重组突变菌株DOB981的进化速度快于DOB073和DOB113。     

菌群16S rRNA基因测序的聚类分析方法研究进展

16S核糖体RNA（16S rRNA）基因测序是微生物分析的重要手段。16S rRNA基因测序的原始数据复杂,存在许多误差,分析前一般需要先进行序列质量控制,即对数据进行去噪、去冗余和去嵌合,最终将质量控制后的数据分为可操作分类单元（OTU）或ASV,在OTU或ASV基础上再进行菌群的各种分析。经过多年改进,聚类方法逐渐以UPARSE、DADA2、Deblur和UNOISE3等为主流,OTU聚类已经不能满足研究的需求,而ASV聚类使得菌群分析更加准确。本文除了综述聚类方法的研究进展外,还介绍了USEARCH、MOTHUR和QIIME等多种16S基因测序分析工具软件的相关研究进展。

     

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。     

原核生物全基因组中16S rRNA基因的识别

【目的】识别原核生物全基因组中的16S rRNA基因。【方法】本文依据基因序列的GC碱基含量、碱基3-周期性和马尔可夫链3个方面的特性,构建了识别原核生物全基因组中16S rRNA基因的三层过滤模型。【结果】经检验,模型的特异性、敏感性和马修斯相关系数分别为99.58%、91.60%和91.49%。【结论】结果表明,本文所提出的方法可以高效、准确地识别出16S rRNA基因。     

分析方法对细菌群落16S rRNA基因扩增测序分析结果的影响

细菌16S rRNA基因扩增测序是当前环境微生物组学研究中应用最为广泛的方法之一。然而,测序序列最小分类单元的划分有多种方式,其对微生物多样性下游分析结果的影响还有待进一步探究。本研究通过提取5组环境样本(森林、农田、湿地土壤、湖泊沉积物和水体)的DNA进行16S rRNA基因扩增测序,对测序结果同时采用5种最小分类单元的划分方式(基于97%、98%、99%和100%序列相似性聚类的OTU以及基于DADA2算法得到的ASV)进行划分,比较分析最小分类单元划分方法对微生物群落多样性、组成、以及其与环境因子关联性分析造成的影响。结果表明,提高分类分辨率,能够获得更高的群落α多样性(Chao1和Shannon)和β多样性(P < 0.05),而相对于按序列相似性聚类的OTU,ASV方法会在一定程度上降低Chao1和PD指数。对于群落组成,分类单元的划分方式主要影响微生物组一些低丰度属(< 0.2%)的占比,而对较高的分类学水平(门水平)组成的影响较小。此外,冗余分析的结果表明,提高分类分辨率水平,能够使得环境因子对微生物群落能够获得更高的解释度,同时也会影响各环境因子对群落组成的...     

ABI PGM测序平台用于细菌基因组de novo测序的评价

为了探索加快细菌基因组研究的方法,利用ABI PGM测序平台测定了1株单细胞硫还原地杆菌的基因组序列。测序共获得1.4 Gbp数据,平均读长为177 bp。通过多个拼接软件并采用合适的组装策略,得到一个完整细菌基因组3.55 Mbp和一条完整质粒序列110 kbp。测定基因组序列与参考基因组kn400序列的相似性达到94%,参考基因组91%的基因能在测定基因组中找到相似基因。通过本研究表明采用ABI PGM测序平台结合灵活的拼接策略可快速构建细菌基因组精细图谱,为进一步的功能注释及深入的信息分析提供准确的数据,大大加快研究进程。     

一种新的定量16S rRNA基因扩增子测序方法

近年来,16S扩增子测序技术被广泛应用于肠道微生物菌群结构和多样性研究,同时也常被用于临床样本中未知病原菌的检测。然而其对样本中物种组成的分辨率只能到属水平的相对丰度,且实验过程中多种因素皆可对结果产生一定影响,如样本起始浓度、PCR循环数、扩增引物等。为解决以上问题,本研究采用随机标签和内参法相结合的方法,开发了一套定量16S扩增子测序方法,将常规的16S rRNA编码基因测序结果中的相对丰度转化为绝对定量的拷贝数,有效提高了肠道菌群结构检测的精准性,降低了实验操作对结果的影响,也提高了测序与其他分子生物学方法间的可比性,有利于未来技术的进一步研发和改进。     

Windows下16S rRNA基因扩增子测序数据分析的简易流程

微生物组数据分析需要掌握Linux系统操作,这对缺乏计算机知识的生物研究人员是一个很大的障碍。为此我们设计了一套在Windows的Linux子系统(WSL)下分析16S rRNA基因扩增子高通量测序数据的简易流程。本流程整合常用的开源软件VSEARCH与QIIME等,能对16S rRNA测序数据进行质量控制、OTU聚类、多样性分析及结果可视化呈现。以唾液微生物组分析为例,详细介绍从原始数据到多样性统计分析过程的参数和命令,及结果解读。教学实践证明,此流程易于学习,并有助于掌握微生物组的基本概念与方法。利用Windows系统最新的WSL功能,本流程方便Windows用户使用大量在Linux上运行的生物信息工具,有助于促进微生物组研究的发展。流程的安装程序与测序数据可从网址(http://www. ligene. cn/win16s/)免费下载使用。     

空气环境中几种细菌检测与16S rRNA测序鉴定

采集空气环境微生物,根据菌落和革兰氏染色特征,分离5株细菌。提取分离株DNA,采用设计的16SrRNA引物扩增DNA片段;纯化PCR产物,进行测序反应并再纯化,上机读序。拼接与校对DNA序列,在NCBI网站进行Blast,鉴定细菌型别。5株菌株分别是表皮葡萄球菌、头状葡萄球菌、施氏假单胞菌、溶血葡萄球菌和大肠杆菌;其中溶血葡萄球菌是致病菌,其他4株是条件致病菌。这提示,应警惕空气环境中致病菌的感染。     

基于16S rRNA基因高通量测序研究狞猫肠道微生物多样性（英文）

【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。     

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。     

PCR反应条件对16S rRNA基因扩增子测序准确性的影响

【背景】16S rRNA基因扩增子测序技术是一种不依赖培养而获得样本中细菌种群结构、相对丰度等信息的方法。高通量测序技术实验步骤较多,每一步骤细微的差别都可能在最终的测序结果中放大,并造成测序结果与实际情况的偏差。【目的】基于MiSeq测序平台,探讨PCR反应体系中扩增引物序列、退火温度、模板起始量、扩增循环数和变性时间等5个因素对16S rRNA基因测序结果的影响。【方法】对mock DNA的16S rRNA基因扩增子进行测序,分别分析不同的扩增引物、退火温度、模板起始量、循环数和变性时间对数据准确性的影响。【结果】不同的扩增引物对检测结果有较大的影响,采用的4组引物中,引物B (V3–V4,341F/806R)的准确性最好,引物A(V3–V4,341F/805R)次之。比较不同退火温度(52、55和60℃)对检测准确性的影响,退火温度60℃的结果最接近理论值。模板起始量(2、10和50 ng)的检测结果显示,mock DNA起始量为2ng的结果准确性最高。相较于其他3组(15+18、25+8和30+8),循环数为(20+8)的检测结果最接近mock DNA的理论值。不同变性时间(3...     

油藏水样细菌群落16S rRNA基因的RFLP分析

通过16S rRNA基因的限制性酶切片段长度多态性分析(RFLP)方法,考察了油藏水样中细菌群落及多样性。从水样中分离纯化微生物总DNA,选择性扩增细菌16S rRNA基因,并构建16S rDNA克隆文库。337个16S rDNA克隆片段分别用限制性内切酶HinfⅠ和HaeⅢ酶切分析,得到74个操作分类单元(OTUs),其中数量最多的4个OTUs共占克隆子总数的73.6%,另外70个OTUs的丰度均处于较低水平,有57个OTUs仅含有1个克隆子。结果表明,运用RFLP方法分析16S rDNA克隆片段能够有效评估油藏水样中的细菌群落和多样性。     

基于16S rRNA高通量测序的灰飞虱体内细菌群落结构及多样性分析

【目的】探明灰飞虱Laodelphax striatellus体内细菌的群落结构和种类多样性。【方法】采用Illumina MiSeq测序平台对新羽化24 h的灰飞虱雌雄成虫体内细菌16S rRNA的V3-V4变异区序列进行高通量测序,应用USEARCH和Silva等软件和数据库来统计样品序列数目和操作分类单元(operational taxonomic unit,OTU)数量,分析灰飞虱雌雄成虫体内细菌的种类组成、丰度、Alpha多样性及其差异。【结果】灰飞虱雌、雄成虫样本分别获得29 333和25 919条有效序列,根据序列相似性进行聚类分析分别获得55和57个OTUs。其中,雌、雄成虫两类样本共有OTU数目20个,特有的OTU数目分别为35和37个。基于OTU物种分类分析,雌雄成虫样本中细菌种类一共覆盖7个门、15个纲、23个目、33个科、56个属和73个种。在门、纲、目和科分类阶元上,雌雄成虫两类样本均以变形菌门(Proteobacteria,雌99.96%/雄99.16%)、α-变形菌纲(Alphaproteobacteria,雌97.76%/雄97.84%)、红螺菌目(Rhodospirillales,雌83.92%/雄53.21%)和醋酸杆菌科(Acetobacteraceae,雌83.90%/雄53.17%)中的细菌为优势菌。在属分类阶元上,灰飞虱雌雄成虫体内优势菌为醋酸杆菌科未分类属(unclassified Acetobacteraceae),沃尔巴克氏体属Wolbachia次之,后者在雌、雄成虫体内丰度分别为13.81%和44.52%。在种水平上,灰飞虱雌、雄成虫体内特有细菌分别为21和32个种,但两类样本中性别特有种的丰度普遍极低,均不足0.5%。【结论】灰飞虱雌雄成虫间细菌群落组成和种类多样性存在差异。本研究为进一步挖掘灰飞虱体内关键微生物并解析其生物学功能及其利用等方面奠定了基础。     

基于16S rRNA基因高通量测序的太原地区健康成年人肠道菌群结构分析

目的 探讨太原地区健康成年人的肠道菌群结构及多样性。方法 采集太原地区20份健康成年人的粪便样本,提取DNA、构建菌群16S rRNA基因克隆文库、高通量测序并进行生物信息学分析。结果 测序获得优质序列1 383 680条,平均序列为69 184条±551条,归类于455个OTUs;所有样本共含有10个菌门,101个菌属,141种菌;其中核心菌门3个,依次为拟杆菌门（63.13%）、厚壁菌门（31.14%）和变形菌门（5.10%）,占所有样本微生物总量的99.37%;丰度最高的前10个菌属依次为拟杆菌属（43.34%）、普氏菌属（15.51%）、栖粪杆菌属（4.92%）、罗氏菌属（4.73%）、毛螺菌属（3.27%）、萨特菌属（2.50%）、粪球菌属（2.38%）、布劳特菌属（2.31%）、瘤胃球菌属（2.18%）和副杆状菌属（1.61%）,占样本微生物总量的82.75%,未分类的菌属占6.84%。结论 健康成年人肠道微生物群落复杂,但主要菌群相对稳定,为进一步研究人体肠道菌群结构与功能提供了参考依据。     

基于16S rRNA基因检测双歧杆菌的方法

本文综述了基于16S rRNA序列(16S rDNA)检测、鉴定双歧杆菌的方法。包括基因探针法、荧光原位杂交法、PCR扩特异性片段法、多重PCR法、荧光定量PCR法和PCR-DGGE/TGGE法等。     

基于16S rRNA基因测序研究蜥蜴胃康方对胃癌肝转移裸鼠肠道菌群的影响

观察不同剂量蜥蜴胃康方对胃癌肝转移裸鼠肠道菌群的影响。

60只裸鼠随机分为正常对照组(10只)和造模组(50只), 造模组用HGC-27胃癌细胞通过脾脏注射制备胃癌肝转移模型, 造模4周时, 随机取正常对照组1只与造模组5只, 取裸鼠肝组织通过病理切片对比验证造模是否成功。随后剩余造模组45只裸鼠随机分为模型组、5-氟尿嘧啶(5-FU)组以及蜥蜴胃康方高(2.6 g/mL)、中(1.3 g/mL)、低(0.6 g/mL)剂量组, 每组9只。取最后一次灌胃2 h后各组裸鼠新鲜粪便进行16S rRNA基因测序。

16S rRNA测序结果显示, 与正常对照组相比模型组裸鼠肠道菌群在门水平表现为拟杆菌门、厚壁菌门丰度下降, 放线菌门、蓝藻菌门丰度富集。属水平表现为Muribaculaceae丰度显著降低(t=3.514 4, P=0.024 6), 拟普雷沃菌属丰度显著富集(t=-4.660 1, P=0.009 6), 副拟杆菌属丰度显著富集(t=-4.284 7, P=0.012 8), 瘤胃球菌属丰度显著降低(t=3.342 7, P=0.028 8)。经蜥蜴胃康方干预后, 胃癌肝转移裸鼠的肠道菌群结构得到了改善, 门水平表现为厚壁菌门丰度增加, 放线菌门丰度降低, 各组间差异有统计学意义(H=11.619 9, P=0.040 4);蓝藻菌门丰度降低, 组间差异有统计学意义(H=11.433 1, P=0.043 4)。属水平表现为Muribaculaceae丰度升高, 拟普雷沃菌属、副拟杆菌属丰度降低; 瘤胃球菌属(H=14.658 4, P=0.011 9)、乳杆菌属(H=11.386 0, P=0.044 2)丰度显著富集, 各组间差异有统计学意义(P < 0.05)。

蜥蜴胃康方能增加厚壁菌门丰度, 降低放线菌门、蓝藻菌门丰度, 提高益生菌乳杆菌属、瘤胃球菌属丰度, 降低致病菌肠杆菌属、梭状芽胞杆菌属丰度。其中以蜥蜴胃康方高剂量组对肠杆菌属、梭状芽胞杆菌属的抑制作用最显著, 并能有效提高乳杆菌属丰度, 从而调节胃癌肝转移裸鼠肠道菌群的平衡, 增强肠黏膜免疫屏障, 激活免疫细胞释放肿瘤坏死因子来发挥对胃癌的抑制作用。