科研思路｜SBB：宏基因组binning分析酸性硫酸盐土壤中硫循环微生物
论文信息
论文题目：Metagenomic assembly unravel microbial response to redox fluctuation in acid sulfate soil
期刊：Soil Biology & Biochemistry
IF：5.29
发表时间：2017
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本文通过对酸性硫酸盐土壤样品的宏基因组测序，利用基于KEGG数据库的注释分析与硫循环、氮循环和甲烷代谢相关的功能基因，进一步使用基于TNF的binning方法，绘制具有硫循环功能的不可培养微生物基因组草图，研究其硫循环分子机制。
研究背景
酸性硫酸盐土壤 (Acid Sulfate Soil, ASS) 在全世界内面积为100万平方公里，主要位于热带和亚热带的三角洲和近岸地区，ASS对于由气候变化或人类活动导致的氧化还原条件波动十分敏感，ASS中硫和硫化物的氧化会导致酸和重金属的释放，对环境造成严重的威胁，但是ASS中这种硫化物氧化与微生物群落的关系还并不清楚。
技术路线
研究结论
1、氧气注入显著提高了水溶性硫的浓度，伴随着pH的降低。
2、氧气的注入显著改变了表层土和母质微生物群落结构，在母质中，古菌的丰度显著下调，母质中的硫循环基因相对丰度显著高于表层土，并且在氧气注入后，多个硫化氢氧化基因的丰度上升。
3、共得到8个关键的基因组草图，其中3株为新型的Thermoplasmatales、Acidothermales和Acidimicrobiales，这些基因组中含有大量的硫循环耐受基因。
4、宏基因组binning在一个基因组草图中发现了一个膜相关的硫化物氧化操纵子。
研究特色
本文应用基于寡核苷酸频率的binning技术的到了与硫循环相关的关键为生物基因组草图，并识别到了一个膜相关的硫化物氧化操纵子。
在不同微生物的DNA中，短的寡核苷酸并不是均一的分布的。有的比例多一些，有的比例少一些，呈现出物种特异性的模型。这些模型就像指纹，蕴含着系统发生的标志。换句话说，相近物种的DNA序列一般都会拥有相似寡核苷酸概率的模型，而不相似的物种则不一样。
应用寡核苷酸频率矩阵和GC含量进行binning，可以对单独一个宏基因组数据进行binning，代表工具有TETRA和Databionic ESOM tools。
这个方法不适合处理高多态性的基因组，因为这样的基因组不同片段具有不均一的寡核苷酸概率。
根据binning的到的基因组草图及其功能注释和丰度信息，可以进行更深层次的分析。
首先，对binning得到的较为完整的基因组草图bins进行系统发育分析，构建系统发育树，同时绘制其在不同样品中相对丰度的比较条形图，根据对基因组草图bins的功能注释结果，挑选关注的目标功能相关基因，绘制其在该基因组草图bins中目标功能基因存在与否的圆点图，用以评估样品中主要功能微生物对目标功能响应的分子机制及其差异。
其次，对binning得到的基因组草图进行功能注释，关注与目标功能相关的基因在基因组草图中的位置，对目标功能基因密度较大的基因组位置进行单独分析，根据基因注释信息，能够识别可能的特异功能操纵子。
但binning技术一方面成本较高，另一方面在许多情况下未必能够得到理想的结果，建议各位老师在没有深入理解binning技术的情况下，还是谨慎选择是否进行这一项高成本、高风险同时也是高回报的宏基因组分析技术。
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