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环境样品中功能基因丰度分析

发布日期:2018-07-27 17:30:37
  宏基因组是指特定环境中全部微生物遗传物质的总和。宏基因组测序以环境样品中的微生物群体基因组为研究对象,直接从环境样品中提取全部微生物的DNA,构建宏基因组文库,利用高通量测序技术分析环境样品所包含的全部微生物的群体基因组成及功能和参与的代谢通路,解读微生物群体的多样性与丰度,探求微生物与环境,微生物与宿主之间的关系,发掘和研究新的、具有特定功能的基因。
  传统的分子生物学技术包括定性PCR、定量PCR,分子克隆等技术开展了一些相关的研究,但其通量低,操作繁琐,成本高,极大地限制了宏基因组学的发展。第二代高通量测序技术,尤其是Illumina测序平台在宏基因组的研究上已被广泛应用。与传统方法相比,基于高通量测序的宏基因组研究无需构建克隆文库,这避免了文库构建过程中利用宿主菌对样品进行克隆而引起的系统偏差,简化了实验操作,提高了测序效率,且测序通量高,短时间内能够获得几百Gb的数据,此外,成本低廉,远低于传统测序技术,从而极大地促进了宏基因组学的发展。
  Illumina测序平台广泛应用于分析环境样品和污染处理反应器中微生物各类功能基因丰度, 通过Illumina宏基因组测序、基因功能注释、基因功能丰度差异分析、丰度差异的基因 GO 富集分析、丰度差异的基因 KEGG 富集分析、聚类分析、多元统计分析,可以同时完成污染物降解、硝化/反硝化、生物除磷、重金属生物转化、抗生素耐药等环境功能基因的注解和丰度分析。例如:Illumina测序技术研究冻土微生物碳氮循环功能基因KEGG 通路刊登于Nature[1],活性污泥中抗性基因和可移动原件刊登于Plos One,活性污泥和沿海沉积物中微生物砷代谢基因刊登于Applied Microbiology and Biotechnology。
宏基因组中特定基因丰度的比较
 
活性污泥中抗生素抗性基因的相对丰度
 
参考文献:
  [1] Rachel Mackelprang,  Mark P. Waldrop, Kristen M. DeAngelis, et al. Metagenomic analysis of a   permafrost microbial community reveals a rapid response to thaw. Nature, 2011, 480, 368–371.
  [2] Tong Zhang, Xu-Xiang Zhang, Lin Ye. Plasmid Metagenome Reveals High Levels of Antibiotic Resistance Genes and Mobile Genetic Elements in Activated Sludge. Plos One, 2011, 6(10): e26041.
  [3] Lin Cai, Ke Yu, Ying Yang, et al. Metagenomic exploration reveals high levels of microbialarsenic metabolism genes in activated sludge and coastal sediments. Applied Microbiology and Biotechnology. 2011, DOI:10.1007/s00253-012-4678-8.
 

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