宏基因组测序

宏基因组学（Metagenomics），又称元基因组学。

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。

宏基因组测序技术促进了微生物资源的开发利用，并加速了微生态科研进程的深度研究。

欧易特色

一次测序可获取环境中所有微小生物的遗传信息，物种信息更加丰富

实验无需PCR扩增，相对客观还原菌群结构，反映微生物真实生存状态

通过拼接可获取更长的基因序列，物种注释分辨率更高，Binning组装可重构微生物草图基因组

除物种水平的研究外，还可以进行基因和功能水平的研究，大大地拓展微生物功能代谢研究

可多角度深入挖掘测序数据，一次测序数据可以助力发表多篇文章

技术参数

分析内容

结果展示

△ Boxplot箱线图

展示样本基因数目和不同样本组基因数目差异

△ 相关性Heatmap图

直观展示基因集在某一具体Pathway中的注释情况

△ KEGG功能注释

直观展示基因集在KEGG数据库中的注释统计情况

△ 物种与功能对应Circos图

直观展示物种与功能间对应关系

△ Pathway通路分析

直观展示基因集在某一具体Pathway中的注释情况

△ 物种与功能贡献度分析

直观展示不同样本中相同功能物种贡献比率

项目案例

Fatty liver disease caused by high-alcohol-producing Klebsiella pneumoniae

高产酒精的肺炎克雷伯菌导致脂肪肝

发表期刊：Cell Metabolism  | 影响因子：21.567

研究背景

随着肥胖及其相关代谢综合征全球化的流行趋势，非酒精性脂肪肝病（NAFLD）现已成为欧美等发达国家和我国富裕地区慢性肝病的重要病因，成人NAFLD患病率高达10%～30%，已成为当代医学领域的新挑战。尽管越来越多的证据表明NAFLD与肥胖、代谢、胰岛素抵抗综合征、血脂异常和肠道微生物群的改变密切相关，但其确切机制仍不清楚。

研究结论

研究者在超过60%的NAFLD患者中发现了一种能够大量生产酒精的肠道细菌HiAlc Kpn，并从患者粪便中分离出了这类菌株，通过粪菌移植的手段构建了模型小鼠，证明了这种高产酒精的肠道细菌会导致NAFLD。

通过表达谱芯片等手段发现HiAlc Kpn诱导的NAFLD可能与酒精介导的脂肪肝（FLD）具有相似的分子机制。证明了HiAlc Kpn可能是NAFLD的一种主要致病因素，通过抗生素治疗抑制HiAlc Kpn有望成为NAFLD的替代疗法。研究发现高脂高糖饮食会加重NAFLD的进展，且口服葡萄糖后测量血液酒精浓度，有望成为NAFLD早期诊断的筛查手段。

参考文献

Yuan J, Chen C, Cui JH, et al. Fatty liver disease caused by high-alcohol-producing klebsiella pneumoniae[J]. Cell Metabolism, 2019, 30:1172.

文章解读

https://mp.weixin.qq.com/s/bSdZxh1uA6HEwMdx8be_fw

项目案例

Response of denitrifying community, denitrification genes and antibiotic resistance genes to oxytetracycline stress 

in polycaprolactone supported solid-phase denitrification reactor

聚己内酯固相反硝化反应器中反硝化群落，反硝化基因和抗生素抗性基因对土霉素胁迫的响应

发表期刊：Bioresource Technology  | 影响因子：7.539

研究背景

氮污染作为一个全球性问题，会导致包括富营养化、栖息地退化和威胁人类健康等诸多负面影响。异养反硝化细菌是一类应用最广泛的反硝化细菌，可以利用有机物作为电子供体将硝酸盐和亚硝酸盐还原为气态氮或氮氧化物。在固相反硝化（SPD）过程中，可生物降解聚合物作为细菌生物膜形成的碳源和物理载体。污水中残留的抗生素影响微生物生长、污染物去除性能并导致耐药基因（ARGs）的增加。然而在抗生素存在的情况下，关于SPD性能、微生物群落和ARGs的研究报道仍然较少。因此，研究在抗生素存在下SPD反应器中反硝化群落和基因模式的变化是至关重要的。

研究结论

当土霉素（OTC）浓度为0.05、0.25和1.0 mg/L时， 固相反硝化系统具有完全的反硝化性能，当OTC浓度为5 mg/L时，硝酸盐去除率仍可达90%以上。然而，在编码多种四环素耐药基因和多药耐药基因的SPD系统中，多种反硝化菌具有抵抗OTC的潜力，这有利于高效的反硝化作用。SPD过程和OTC胁迫均可引起ARGs的迁移和转移，这主要与ARGs宿主的变异有关。

参考文献

Feng LJ, Yang JY, Yu H, et al. Response of denitrifying community, denitrification genes and antibiotic resistance genes to oxytetracycline stress in polycaprolactone supported solid-phase denitrification reactor[J]. Bioresource Technology, 2020, 308:123274.

文章解读

https://mp.weixin.qq.com/s/DZa2uJSf9hOBbCcc-CwNDQ

常见问题

Q1. 宏基因组测序技术和微生物多样性测序技术有哪些区别，如何选择？

实验上的区别：微生物多样性测序需要选择特定引物序列并进行目标基因片段的PCR扩增，而宏基因组测序只需要对抽提获得的DNA做片段化处理。

分析上的区别：微生物多样性测序需要进行OTU聚类，只能研究物种的类别和组成比例，而宏基因组测序需要进行序列组装，可以同时从物种、基因和功能层面上进行分析研究。

由于二者在平台技术上不同，从而在分析上也是不同的，各具优势。可根据实际研究目的的不同来进行选择：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。

Q2. 宏基因组测序可以检测细菌、真菌、原生生物、浮游生物和病毒等微小生物信息么？

可以。因为宏基因组测序提取的DNA为环境样本中生物总的DNA，经过测序和分析后可同时检测环境中细菌、真菌、原生生物、浮游生物和病毒（DNA 病毒）等物种信息。

Q3. 宏基因组测序的测序量建议多少？

环境样本的复杂程度不同，测序量一般也不相同。对于微生物组成复杂的样本类型，如土壤和水体，测序量一般较高；而微生物组成相对简单的样本，如肠道样本，测序量一般较低。

宏基因组项目测序数据量可根据样本类型进行灵活设置，依据文献发表情况，土壤、水体类样本推荐测序量12G，粪便类样本推荐测序量6G，即可满足文章发表需求。

对于含宿主污染类样本，推荐测序量12G及以上，以保证后续分析去除宿主序列后，微生物序列存量能够达到基本分析要求（1~2G）。