9项值得关注的宏基因组研究和方法学突破
5 月 23 日的《热心肠日报》，我们解读了 9 篇文献，分别关注：扩增子、宏基因组、宏病毒组、单菌基因组、培养基、三代测序、抗生素抗性基因、菌群诊断标志物。
Nature子刊：扩增子及其他测序的元数据收集和填写规范(MIMARKS/MIxS)
Nature Biotechnology——[31.864]
① 如果没有特定的指导，数据库中的大多数基因组、宏基因组和标记基因序列将被稀疏地注释，无法开展数据整合、比较研究和知识发现；② 定义样本元数据包括测序样本采集地点或任何相关信息，例如土壤，空气，水，与人相关，与植物或实验室相关的位置；③ 能源部联合基因组研究所和SILVA的调查侧重于标记基因的一般背景特征，而核糖体数据库项目（RDP）侧重于rRNA基因的来源，Terragenome联盟侧重于土壤宏基因组项目的背景数据。
【主编评语】
本文介绍由基因组标准协会（Genomic Standards Consortium：GSC）开发的用于研究和发表标记基因序列的标准-标记基因测序的最少信息标准 (the minimum information about a marker gene sequence，MIMARKS)。还介绍了一套“environmental packages（环境包）”用于描述生物样本来源。最后，为了建立描述测序数据的统一标准，并为科学界提供访问和了解GSC所有信息列表的接口，作者提供了有关任何（x）测序的最少信息标准（MIxS）。并表示采用MIxS标准将增强我们对不断变化的生物圈中自然遗传多样性的能力的认识。（@刘永鑫-中科院遗传发育所-宏基因组）
【原文信息】
Minimum information about a marker gene sequence (MIMARKS) and minimum information about any (x) sequence (MIxS) specifications
2011-05-06, doi: 10.1038/nbt.1823
Nature子刊：未培养病毒基因组的最少信息标准（MIUViG）
Nature Biotechnology——[31.864]
① 关于未培养病毒基因组标准的最少信息是在基因组标准联盟框架内制定的，包括病毒起源、基因组质量、基因组注释、分类信息、生物地理分布和宿主预测；② UViGs有助于提高我们对病毒进化历史和病毒-宿主之间相互作用的理解；③ 病毒基因组组成和内容、复制策略和宿主的异常多样性意味着UViGs的完整性、质量、分类学和生态学需要通过病毒特异性指标来评估；④ 分析不同大小和不同样品类型的UViGs对于探索病毒基因组序列空白是有价值的 。
【主编评语】
扩增子的最小信息标准发表在2011年的Nature子刊上（NBT：扩增子及其他测序的最小信息标准和测序规范(MIMARKS)），在最小信息标准发表后的2012年，扩增子测序逐渐开始蔓延，2015-2016年火热，在最近两年才慢慢平稳。时隔7年的2018年，同样在NBT上发表了病毒测序的最小信息标准。病毒研究确实是一个新领域，并且能看到这两年逐渐升温，新型冠状病毒的出现可能会加速病毒领域的研究，这将进一步加速病毒测序技术方法和生物信息学分析的成熟，相信大爆发时间不会太晚，也许在本年末，还是明年？反正是发展迅速并且很有前途的方向。我们是否也要当弄潮儿呢?（@刘永鑫-中科院遗传发育所-宏基因组）
【原文信息】
Minimum Information about an Uncultivated Virus Genome (MIUViG)
2018-12-17, doi: 10.1038/nbt.4306
Microbiome：港大张彤组纳米孔测序解析污水处理中可移动抗性基因组
Microbiome——[10.465]
① 污水处理对抗生素抗性基因的水平转移起到了重要作用；② 携带抗性基因的质粒和整合性结合元件在污水处理体系抗性组中占主导地位；③ 快速识别抗生素耐药致病菌群对于污水处理中实现病原体有效控制是十分必要的；④ Nanopore实时测序的特点使得对抗生素耐药致病菌群的快速检测和示踪成为可能；⑤ 抗性基因谱与给定筛选抗生素的表型高度相关，其中氨基糖苷类抗性基因最为丰富，其次是β-内酰胺类、四环素和氯霉素。
【主编评语】
为了能够全面了解污水处理体系中抗生素抗性基因以及多抗耐药菌株的动态传播过程，我们需要解析不同抗生素抗性基因的遗传背景、宿主信息并且追踪它们在整个污水处理体系过程中的变化。然而不管是基于传统的耐药菌株分离培养的方法，还是基于二代测序组装、或者epicPCR的方法都不能达到理想的解析效果。随着三代测序技术的发展，长读长的特点为我们解析复杂的遗传元件提供了可能性。该研究充分利用了Nanopore测序长读长以及实时测序的优势，开发了一套基于高通量测序的抗性基因遗传背景解析、宿主鉴定的分析流程。该论文所构建的分析流程不仅使我们对污水处理体系可移动抗性基因组有了全新的认识，同时为进一步解析耐药菌株的产生以及传播机制提供了重要参考。（@刘永鑫-中科院遗传发育所-宏基因组）
【原文信息】
Mobile antibiotic resistome in wastewater treatment plants revealed by Nanopore metagenomic sequencing
2019-03-21, doi: 10.1186/s40168-019-0663-0
嗜热嗜酸菌的进化历史和适应机制
ISME Journal——[9.493]
① 高酸性热泉生态系统以部分具有呼吸氧气能力的古菌谱系为优势菌群;② 嗜热嗜酸菌及其引起的酸化生境是新近分化产生的;③ 进化的嗜酸菌株主要在基因调控水平上不同，而不是在获得新性状或性状变异的水平上不同;④ 好氧嗜热嗜酸微生物最早可能出现于大气氧气浓度上升到与当前大气水平相当的元古代中期的靠后阶段;⑤ 嗜热古生菌及其生境的酸性在产氧光合作用出现后共同演化。
【主编评语】
极端环境微生物历来受到相关领域科学家的重视，不仅因为这些微生物对极端环境出色的耐受能力，而且在工业和环境保护等领域可以运用其特异性功能。理解这些微生物群落结构的演化对于更好的把握极端环境微生物的结构和功能具有重要意义，本文通过对黄石国家公园的72个热泉的微生物群落的系统进化分析为我们研究极端环境微生物演化提供了很好的借鉴。（@刘永鑫-中科院遗传发育所-宏基因组）
【原文信息】
Geobiological feedbacks and the evolution of thermoacidophiles
2017-10-13, doi: 10.1038/ismej.2017.162
综述高通量测序应用于病原体和害虫诊断
Molecular Ecology Resources——[7.049]
① 排除稀有样品中的人为影响仍然是所有高通量测序技术中最大的问题;② 由于引物选择的不同而产生的各种具有偏差的PCR扩增过程，无PCR过程的技术为微生物，特别是病毒和细菌的分子鉴定提供了广阔的前景;③ 混池测序可能强烈降低实验成本，但也降低了数据量和分辨率；④ 高通量测序技术为检测和快速识别新的病原体和人类疾病、树木和作物种植园，以及哨兵苗圃和植物园等早期预警系统提供了巨大的希望。
【主编评语】
高通量测序技术（High-throughput Sequencing， HTS）在生物学领域的应用越来越广泛，此综述虽为其用于病原体和害虫诊断而著，但生物学其它研究领域，如生物进化、生物多样性与保护、动物食性与栖息地选择、动物营养学、动物行为学等多个领域均可借鉴此文归纳总结的方法和经验，尤其是在实验设计时参考其建议。文中图1展示了高通量测序总体实验与数据分析流程。表1总结了HTS应用于不同生物类群最具代表性的工作；表2对比了不同测序仪器的经费预算；表3总结了不同目标类群扩增子测序常用的引物。（@刘永鑫-中科院遗传发育所-宏基因组）
【原文信息】
High‐throughput identification and diagnostics of pathogens and pests: Overview and practical recommendations
2018-10-24, doi: 10.1111/1755-0998.12959
新观点：代谢无机硫化合物的古菌Ferroplasma可介导细胞外电子传递
Frontiers in Microbiology——[4.259]
① 处理采矿废水的一种潜在方法是微生物燃料电池技术（MFC），它可以在产生电流的同时，持续去除产生无机硫化合物的酸性物质；② 硫化物、硫、硫代硫酸盐和亚硫酸盐的氧化会释放电子，这些电子可能有助于在MFCs中产生电流；③ 嗜酸菌的pH平衡机制包括防止质子渗透的膜，由一种钾离子产生内部的膜电位，也能抑制质子内流；利用质子泵及质子消耗反应，以及降低细胞通透性；④ 细胞在含有缺乏高浓度金属的MFC合成培养基中可能不受到重金属胁迫。
【主编评语】
新兴的微生物燃料电池技术（MFCs）利用电化学活性微生物氧化底物并将释放的电子转移到阳极，在极端酸性条件下可以利用MFC及极端微生物处理环境污染物。中间硫化物、硫单质、硫代硫酸盐和硫酸腺苷酸的氧化会释放出电子。在酸性自然环境中未被检测到已知的嗜中性微生物胞外电子转移（EET）相关基因，这突出了研究嗜酸微生物中EET机制的必要性。本研究为利用嗜酸微生物燃料电池处理酸性矿山排水（AMD）的无机硫化合物提供了理论基础。（@刘永鑫-中科院遗传发育所-宏基因组）
【原文信息】
A Novel Inorganic Sulfur Compound Metabolizing Ferroplasma-Like Population Is Suggested to Mediate Extracellular Electron Transfer
2018-12-05, doi: 10.3389/fmicb.2018.02945
极端嗜酸古菌的单菌基因组分析套路
Scientific Reports——[4.011]
① 铁质体科（Ferroplasmaceae）是一种普遍存在的铁氧化极端嗜酸菌，具有许多独特的生理特性；② 基因组分析表明F. acidiphilum YT具有专性的蛋白分解营养型的生活方式和具有回补型碳同化途径；③ 基因组中检测出糖酵解和糖异生途径的所有基因；④ 在实验室培养经过550代后，该菌株每代的单核苷酸取代率是单细胞生物中已有记录中的最高值；⑤ 地理上相隔遥远的F. acidiphilum群体中显著的基因组保守性说明自然界中的突变似乎以较低的频率发生。
【主编评语】
Ferroplasma是极端酸性环境中极难分离培养的古菌，该研究首次获得Ferroplasma acidiphilum的全基因组完成图，获得了其代谢和进化的基本情况，同时为深入研究他们的进化地位、自然生态中的角色和功能提供了基础。（@刘永鑫-中科院遗传发育所-宏基因组）
【原文信息】
Metabolic and evolutionary patterns in the extremely acidophilic archaeon Ferroplasma acidiphilum YT
2017-06-16, doi: 10.1038/s41598-017-03904-5
再这么配培养基，你的细菌都被毒死了！
Applied and Environmental Microbiology——[4.077]
① 培养超过7天后出现的新菌落被定义为生长缓慢的菌落；② 培养基制备方案对生长缓慢分离株的系统发育趋势的影响并不显著，至少在门水平上是如此；③ 不管它们的生长速率如何，修改固体培养基的制备可以增加分离更高微生物种类多样性的可能性；④ 两种分离策略的组合(PS培养基的使用和较长的培养时间)大大增加了捕获系统发育方面的新微生物的可能性；⑤ 一些难培养的微生物，如果不采用这种培养策略目前仍无法分离。
【主编评语】
作者基于先前的研究结果即PS培养基可改善某些生长缓慢和/或生长不良微生物的菌落形成，并希望结合简单的长期培养方法从自然环境中分离生长缓慢的新的微生物，作者经过实验得出，通过使用将长期培养与简单修饰琼脂培养基制备相结合的分离策略，可以改善以前未培养的具有系统发育新奇细菌的可培养性。作者希望未来将此策略应用于各种环境样品，特别是在贫营养的自然环境（例如淡水和海水）中，将能够分离出许多系统发育和功能新颖的微生物。（@刘永鑫-中科院遗传发育所-宏基因组）
【原文信息】
Isolation of Previously Uncultured Slow-Growing Bacteria by Using a Simple Modification in the Preparation of Agar Media
2018-07-20, doi: 10.1128/AEM.00807-18
浙江大学团队揭示幼年特发性关节炎患儿肠道菌群的特征及其在临床预测中的作用
BMC Genomics——[3.501]
① 近年来的研究发现幼年特发性关节炎（JIA）患儿肠道菌群存在紊乱，但研究均未匹配年龄、性别、BMI等导致结果不一致；② 本研究基于多因素匹配的横断面研究，发现JIA组α多样性下降；组间β多样性有显著差异；③ JIA组中Anaerostipes、Dialister、Lachnospira和Roseburia属相对丰度下降与风湿指标负相关，均为产短链脂肪酸细菌；④ 12个属构建的随机森林模型用于识别患者和非患者的ROC下面积是0.798，决策曲线分析显示模型具有临床使用价值。
【主编评语】
以前已经有研究显示幼年特发性关节炎患儿（病例组）肠道菌群存在紊乱，但是这些研究结果不是很一致，而且病例组和对照组的性别、年龄均不匹配。然而，性别、年龄等恰恰是很肯定的混淆因素。本研究技术上有以下亮点：一是病例组和对照组进行了性别、年龄、BMI（体重指数）“频率匹配”；二是用人工智能的技术进行了生物标记识别；三是用“决策曲线分析”技术验证了模型的可靠性。结果发现病例组产短链脂肪酸细菌明显降低，且与临床风湿指标呈负相关；12个属可作为生物标记用于临床预测。（@刘永鑫-中科院遗传发育所-宏基因组）
【原文信息】
Gut microbiota in children with juvenile idiopathic arthritis: characteristics, biomarker identification, and usefulness in clinical prediction
2020-04-07, doi: 10.1186/s12864-020-6703-0
感谢本期日报的创作者：刘永鑫-中科院遗传发育所-宏基因组
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