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宏基因组测序

宏基因组学(Metagenomics),又称元基因组学,是由 Handelman 提出的一种直接对微生物群体中包含的全部基因组信息进行研究的手段,以特定生境中的整个微生物群落为研究对象,采用高通量测序技术,获得环境微生物基因组信息总和,以研究环境微生物的群落结构、物种分类、系统进化、基因功能以及代谢通路等。之后 Kevin 等对 Metagenomics 进行了定义,即“绕过对微生物个体进行分离培养,应用基因组学技术对自然环境中的微生物群落进行研究”的学科。它规避了对样品中的微生物进行分离培养,提供了对无法分离培养的微生物进行研究的途径,避免了实验过程中由环境改变引起的微生物序列变化所带来的偏差。
近年来,随着测序技术和信息技术的快速发展,利用新一代测序技术(Next Generation Sequencing)研究 Metagenomics,能快速准确的获得大量生物数据和丰富的微生物研究信息,从而成为研究微生物多样性和群落特征的重要手段。如致力于研究微生物与人类疾病健康关系的人体微生物组计划(HMP, Human Microbiome Project, http://www.hmpdacc.org/),研究全球微生物组成和分布的全球微生物组计划(EMP, Earth Microbiome Project, http://www.earthmicrobiome.org/)都主要利用高通量测序技术进行研究。 

宏基因组产品特色

1. 微生物无需分离培养,且通过该技术可以客观还原微生物菌群结构
宏基因组测序技术,无PCR扩增环节,可以避免非特异性扩增问题,并且可以完整呈现微生物菌群的结构(Knight, et al, 2012)。
2. 在客观还原菌群结构的基础上,同时可以对群落微生物的功能进行研究
基于16S核糖体的微生物多样性研究方法,可以基于物种丰度进行功能丰度的预测,但是不能更进一步探究微生物的具体功能。而传统的微生物基因组方法,也需要构建大量的克隆筛选文库,才能获得微生物的功能基因。
宏基因组测序可以直接基于环境中的所有微生物的基因序列,进行微生物的基因相关功能研究(Handelsman, et al, 1998; Blow, et al, 2008; Thomas, et al, 2012)。

生物信息分析流程

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常见问题

1.微生物多样性分析和宏基因组有哪些区别?

1)两个平台技术上有很大差别。微生物多样性测序区域为 16S rDNA 核糖体 / ITS / 18S rDNA,我们也叫扩增子测序。而宏基因组测序为基因组 DNA 序列。
2)由于二者在平台技术上不同,从而在分析上也是不同,且各有优势,选取上可根据研究目的的不同来进行抉择:如果仅仅关注环境的群落构成,包括哪些优势菌属和非优势菌属,则微生物多样性就可以满足需求。而需要在群落构成的基础上进一步挖掘更深的功能信息。则建议宏基因组测序。
或者可以先大样本量进行微生物多样性分析,并根据多样性分析结果挑选合适的样本进行宏基因组测序,更深一步的探究群落物种的功能特性。

2.宏基因组测序可否同时获取细菌、真菌、浮游生物、病毒等的信息?

可以。因为宏基因组测序提取为环境样本总 DNA,获取这些总 DNA 信息后,进行序列的拼接组装以及基因的预测。拼接的基因组信息包含环境中的细菌、真菌、浮游生物、病毒(DNA 病毒)。因此是可以同时获取这些微生物的信息,并同 NCBI NR 库比对,获取物种注释信息,以及蛋白注释信息。

3. 宏基因组测序的测序量建议多少?

视环境样本的复杂程度,建议的测序量要求不同。比如土壤样本一般来说成分更为复杂,建议的测序量要高于其他环境样本。其次肠道样本的多样性程度也比较高,建议可以多测一些。一般成分相对简单一些的建议测到 6 Gb,而成分相对而言复杂一些的样本建议测到 10 Gb 以上。 


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