宏基因组CNNS文章盘点③——方法学+非人样本Meta研究
方法学
Identification and assembly of genomes and genetic elements in complex metagenomics samples without using reference genomes（Nature Biotechnology, IF 43.113, 2014）
图1 基于MGS的物种注释及组装
宏基因组测序——基因丰度分析——MGS/CAG聚类——MGS特异性reads组装
宏基因组测序技术使我们可以有效获取微生物群落的组成及基因和功能信息。然而，由于宏基因组由多个基因组混合组成，从宏基因组中解析出单个基因组是研究的一个重点和难点。该研究假设来源于同一个DNA分子的基因，在多样品的丰度谱上具有强相关性。基于基因序列在多个样品的丰度谱，计算基因之间的相关系数，将相关系数满足一定阈值的基因进行聚类，进而组装单个基因组草图。对396个人肠道微生物组样本的数据进行分析，并确定7,381个CAG（co-abundance gene groups），包括741个宏基因组物种( metagenomic species, MGS），最终组装得到238个高质量的微生物基因组。MGS分析能够最大限度的得到菌群的组成信息，包括未知物种，为复杂宏基因组样本的物种多样性分析提供了有效的方法。
Metagenomic species profiling using universal phylogenetic marker genes（Nature Methods, IF 25.328, 2013）
图2 mOTU分析
a, 有参考基因的mOTU（mOTURefMeta）和无参考基因的mOTU (mOTUMeta)展示；b, mOTURefMeta 和mOTUMeta的物种丰富度（richness）和丰度（abundance）展示
基于宏基因组测序产生的Reads进行物种丰度分析，往往会由于没有合适的基因组大小均一化的方法导致在物种丰度估算上产生很大偏差，且无法解决未知物种的分类问题。为了解决目前宏基因组物种丰度统计的这一不足，本研究基于广泛存在的单拷贝marker genes (MGs)进行原核物种丰度分析，进化marker genes(MGs)具有良好的进化特异性或进化保守性，在大部分基因组中以单拷贝的形式存在，很少会发生水平基因转移，是环境样本中物种丰度分析的理想候选基因。
本研究首先挑选40个经前期验证可以准确描述原核生物物种信息的MGs，选择3,496个原核参考基因组和263个已发表的人肠道样本进行分析，评估不同MGs的进化差异，并对这40个MGs的物种鉴定及在种水平分类的准确性进行验证，最终选定10个效果最好的MGs。这10个MGs长度比16S rDNA长 10倍，准确率也比16S rDNA的准确率高。
通过对这10个MGs进行mOTU聚类分析，结果发现平均每个MGs分析发现701±46个mOTUs，有58% ± 2.2%的种丰富度（richness）和43%的丰度（abundance）信息在现有的参考基因集中都是缺失的。
其他
1）线虫宏基因组[3]
Metagenomic analysis of the pinewood nematode microbiome reveals a symbiotic relationship critical for xenobiotics degradation（Scientific Reports, IF 5.228, 2013）
本研究对线虫体内微生物进行宏基因组测序并进行功能注释研究，结果表明微生物基因组作为线虫的第二套基因组，拥有完整的降解α-蒎烯的代谢途径，其苯甲酸及其相关的代谢途径构成降解外源性物质的主要途径，是对线虫解毒外源物质代谢途径的补充。本文研究结果揭示了线虫及其体内微生物的互惠共生关系。
Thermophilic microbial cellulose decomposition and methanogenesis pathways recharacterized by metatranscriptomic and metagenomic analysis（Scientific Reports, IF 5.228, 2014）
纤维素是地球上最丰富的生物物质，作为可再生的生物能原材料受到全世界的关注。在自然或机械系统中，木质纤维素中生物能的转化得益于微生物间的相互协同作用。本研究通过宏基因组和宏转录组联合分析，初步解析耐热纤维素产甲烷的过程。污泥样本结构分析发现，参与纤维素降解的微生物群体主要包括4种目层级的细菌（厌氧蝇菌目、梭菌目、拟杆菌目和热袍菌目）和2种目层级的古菌（甲烷杆菌目和八叠球菌目）。其中热袍菌目的多糖消耗对纤维素的水解是至关重要的，多糖利用机制在纤维素降解中发挥着重要的作用。虽然八叠球菌对醋酸纤维的利用率比甲烷杆菌低60%，但它在产甲烷机制中更加活跃。
Bacterial population and biodegradation potential in chronically crude oil-contaminated marine sediments are strongly linked to temperature（Scientific Reports, IF 5.228, 2015）
世界上最大的两个原油污染地区是半封闭的地中海和红海，但目前仍然没有大规模的关于长期污染对环境影响的研究。本研究比较了环境和地理因素以及人类活动（碳氢化合物输入）对地中海和红海沿岸的八个独立的原油污染地点的细菌群落的影响。研究发现微生物群落结构及其生物降解潜力的差异主要与温度和化学成分多样性相关（P <0.05）。此外，还发现长期污染地点的温度和化学成分与生物多样性之间的联系更强。低温情况下细菌丰度更高，代谢物多样性降低；长期污染情况下代谢物多样性增加。进一步研究发现，突发污染地点的细菌群体能更快速地进行石油降解。
下期预告
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[1] Identification and assembly of genomes and genetic elements in complex metagenomics samples without using reference genomes（Nature Biotechnology, IF 43.113, 2014）
[2] Metagenomic species profiling using universal phylogenetic marker genes（Nature Methods, IF 25.328, 2013）
[3] Metagenomic analysis of the pinewood nematode microbiome reveals a symbiotic relationship critical for xenobiotics degradation（Scientific Reports, IF 5.228, 2013）
[4] Thermophilic microbial cellulose decomposition and methanogenesis pathways recharacterized by metatranscriptomic and metagenomic analysis（Scientific Reports, IF 5.228, 2014）
[5] Bacterial population and biodegradation potential in chronically crude oil-contaminated marine sediments are strongly linked to temperature（Scientific Reports, IF 5.228, 2015）
撰稿：张 义
编辑：市场部
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