3大热点领域，非靶向代谢组学+微生物组学如何应用？一文了解！

微生物在地球上有34亿年的历史，遍布于世界的每个角落。微生物组学作为研究微生物群落良好的利器，反复被用于微生物相关的研究中。然而，微生物与宿主、环境之间具有复杂性与整体性，单—的组学研究难以系统地阐释生物过程的发生与发展。

由于非靶向代谢组学可以无偏向性地全面检测生物体内所有的代谢物，越来越多的研究者将非靶向代谢组与微生物组进行关联研究。两组学关联分析，可筛选引起代谢变化的优势物种及与微生物群落分布密切相关的代谢物，从而揭示微生物、代谢物以及生命体间的内在调控通路。现如今非靶向代谢组+微生物组已经被广泛应用于各研究领域中，如肠道微生物研究、食品发酵研究、植物根际微生物研究、环境微生物研究等。

01

肠道微生物研究

人的口腔、皮肤、泌尿、肠道等部位都存在大量微生物，体内的微生物重量可达2-3公斤。疾病发生时，患者肠道内菌群也会随之发生变化，这些变化的菌群所产生的代谢物可调节疾病的发生和进展。由于代谢物变化更容易被观察到，因此可将代谢物作为检测疾病发生的潜在生物标志物。使用代谢组+微生物组可以更好地验证分析微生物与宿主疾病间可能的因果关系。

案例1

膳食纤维在恢复人体肠道菌群及其代谢组中的作用

文章：Role of dietary fiber in the recovery of the human gut microbiome and its metabolome^[1]

A

样本设计

杂食组、纯素食组、无纤维饮食（EEN）组。实验分为三个阶段：饮食阶段（1-5d）、口服抗生素（万古霉素和新霉素）和聚乙二醇清除肠道微生物阶段（6-8d）、恢复阶段（9-15d）。

B

研究方法

非靶向代谢组（粪便、血浆样本）、宏基因组（粪便样本）。

C

主要结论

宏基因组结果显示，与纯素食组和杂食组相比，EEN饮食组的细菌负荷恢复较杂食饮食组慢。纤维对肠道菌群中厚壁菌门类群影响最大，膳食纤维的缺乏会导致特定的嗜粘液梭状芽孢杆菌的增加。

非靶向代谢组学结果显示，饮食中缺乏膳食纤维会影响以碳水化合物和氨基酸为基础代谢的丁酸产生。代谢组的建模揭示了肠道菌群与代谢物之间的新联系：纤维通过改变基于碳水化合物和氨基酸的新陈代谢来塑造肠道微生物组的功能，从而来保证微生物相对丰度、多样性以及肠道菌群的恢复。

图1 三种不同饮食对人类肠道微生物组及其代谢组的影响

文献链接：https://doi.org/10.1016/j.chom.2020.12.012

02

食品发酵研究

微生物在食品发酵中具有重要作用，醋、酒、酸奶、咸菜、臭豆腐、腐乳、熏肉等食物在制作过程中都少不了微生物的作用。食品发酵过程涉及物理、化学和生物变化，且伴随食物风味和成分的重大变化。微生物组学联合代谢组学研究可助力改善发酵食物品质、监控发酵过程、优化发酵条件、筛选发酵菌种、解析发酵代谢途径等研究。

案例2

基于非靶向代谢组学和高通量测序探索微生物和代谢物在鲈鱼发酵中的作用

文章：Exploring the roles of microorganisms and metabolites in the fermentation of sea bass (Lateolabrax japonicas) based on high-throughput sequencing and untargeted metabolomics^[2]

A

样本设计

鲈鱼发酵第0、5、10和15天收集的鱼肉样品。

B

研究方法

非靶向代谢组、16S和18S rRNA。

C

主要结论

16S和18S rRNA基因测序确定了8种细菌和4种真菌微生物为鲈鱼发酵过程中的优势属。代谢组学总共鉴定了54种代谢物，包括游离氨基酸、短肽、脂类、胺类和有机酸。

关联分析结果表明，链球菌、巨型球菌、嗜冷杆菌、丝孢酵母和曲霉的代谢活性与氨基酸、肽、胺、脂质和有机酸的生成显著相关。代谢途径分析表明，弧菌、链球菌、曲霉、巨型球菌和葡萄球菌可能参与了发酵鲈鱼代谢物的产生。该研究结果可用于微生物菌株的分离和筛选，并为其他发酵鱼制品的核心微生物菌群分析提供了新的技术参考。

图2 12种微生物和代谢物之间的关系(a)，游离氨基酸、短肽、脂类、胺类和有机酸与微生物之间的相关性(b-f)

文献链接：https://doi.org/10.1016/j.lwt.2022.113795

03

植物根际微生物研究

根际微生物是指紧密附着于根际土壤颗粒中的微生物，数量一般高于非根际土壤中的微生物。通过对根际微生物的研究，可以挖掘对植物生长有利和有害的菌群，探究其原理，趋利避害，帮助农作物抵抗疾病、促进生长、增强抗逆性和提高作物产量及品质等。根系分泌物是根际微生物重要的营养和能量来源，使用代谢组+微生物组，可以更好地研究植物与微生物之间的互作机制。

案例3

甲基双氯酚（DM）对水稻根际微生物群及反硝化作用的影响

文章：Interacting effect of diclofop-methyl on the rice rhizosphere microbiome and denitrification^[3]

A

样本设计

对照组（蒸馏水）、处理组（100 μg/L DM）处理5天和10天。

B

研究方法

非靶向代谢组（根系分泌物样本）、16S rRNA测序（土壤样本）。

C

主要结论

通过非靶向代谢组学鉴定了186种根系分泌物。暴露于DM 5d后，受DM影响的根系分泌物涉及嘧啶代谢、泛酸和CoA生物合成，β-丙氨酸代谢，脂肪酸生物合成途径。暴露于DM 10d后，受DM影响的根系分泌物参与丙酸代谢、半胱氨酸和蛋氨酸代谢、植物激素生物合成和酪氨酸代谢。

16S测序结果表明，DM增加了水稻根际微生物群的多样性和丰富度，但对非根际微生物的多样性和丰富度影响较小。水稻培养物中残留的DM可能通过增加根系分泌物浓度，进而影响水稻根际微生物群落而影响氮素循环。

图3 除草剂DM对水稻根系微生物组的影响及其与氮循环的关系

文献链接：https://doi.org/10.1016/j.pestbp.2018.03.002

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参考文献：

[1] Tanes C, et al. Role of dietary fiber in the recovery of the human gut microbiome and its metabolome. Cell Host & Microbe, 2021.

[2] Nie S, et al. Exploring the roles of microorganisms and metabolites in the fermentation of sea bass (Lateolabrax japonicas) based on high-throughput sequencing and untargeted metabolomics. LWT-Food Science and Technology, 2022.

[3] Qian H F, et al. Interacting effect of diclofop-methyl on the rice rhizosphere microbiome and denitrification. Pesticide Biochemistry and Physiology, 2018.

供稿：翎儿

编辑：市场部

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