宏基因组测序：微生物研究的利器

1. 不依赖于传统培养技术，可检测不可培养微生物物种。

2. 无PCR偏好性，可检测特定环境重细菌、真菌、病毒等所有微生物。

3. 不但可获得菌群物种信息，还可获得菌群的基因和功能信息。

4. 与扩增子测序相比，可获得种水平，甚至菌株水平信息。

• 方向一：

期刊：Nature Medicine

影响因子：30.641

时间：2019年

基于宏基因组和代谢组研究平台，对来自大队列CRC中的616名和406名样本分别进行了粪便宏基因组和代谢组学研究，获得不同阶段(MP,S0,Sl /SIl,II/SIV,HS)病例特异性表型的微生物(Atopobiumparvulum和B.wadsworthia等)和代谢(氨基酸和胆汁酸等)标志物；且进一步探索个体直肠癌患者的肠道微生物组与肿瘤与特征之间的关系。

图.肠道菌群与代谢物变化

• 方向二：

期刊：Microbiome

影响因子：16.837

时间： 2022年

慢性腹泻是圈养恒河猴(RMs, Macaca mulatta)发病和死亡的常见疾病。RMs慢性腹泻的典型特征是长期腹泻和对抗生素治疗的弱反应。腹泻也是人类的一种常见疾病，可导致死亡。然而，大约一半的人类腹泻病例的病因尚不清楚。因此，研究进行了宏基因组测序，以表征慢性腹泻RM和无症状个体的肠道微生物组和耐药组的差异。

作者的研究结果显示，与无症状个体相比，慢性腹泻RM肠道中的乳酸杆菌(主要是约氏乳杆菌、罗伊氏乳杆菌和淀粉状乳杆菌)显著减少(5.2 vs 42.4%)。基因的功能注释表明，这些乳杆菌携带了参与肠上皮细胞粘附和细菌素产生的基因。慢性腹泻RM肠道中许多其他肠道细菌的丰度也明显更高，包括黏液降解细菌和条件致病菌。慢性腹泻 RM 肠道微生物组的代谢途径富含需氧菌素生物合成，而无症状 RM 肠道微生物组的代谢途径富含短链脂肪酸 (SCFA) 的产生。慢性腹泻RM肠道中ermF、aph(3′)-IIIa、ermB和flora等抗生素耐药基因(ARGs)的丰度显著高于对照组，从慢性腹泻RM粪便和组织液中分离的菌株对大多数抗生素的耐药率均较高，但对头孢霉素和碳青霉烯类抗生素的耐药率不高。

肠道微生物组成比较表明，几种圈养的非人灵长类动物(NHP)的肠道与非西化饮食的人类的肠道比西化饮食的人类的肠道更相似。慢性腹泻RM的肠道微生物组与农村生活的腹泻患者和非西化饮食的人相比，与无症状RM惊人地相似。该研究结果表明慢性腹泻显著改变了 RM 肠道微生物组的组成和代谢途径。抗生素的频繁使用导致慢性腹泻 RM 肠道微生物组的抗生素耐药性，对个体治疗和生存造成严重后果。

图. 慢性腹泻患者与无症状患者肠道微生物组组成

• 方向三：

期刊：ISME Communications

时间： 2023年

转基因植物对环境的影响仍然是一个有争议的全球性问题。为了解决这些问题，对转基因植物进行全面的环境风险评估对于转基因技术的可持续发展和应用至关重要。在本文中，通过宏基因组学和代谢组学联合分析Bt水稻（T1C-1，转基因系）、亲本非Bt水稻品种（明辉63）和中华11（常规粳稻品种）的土壤和表层水中的微生物和代谢物，研究Bt水稻对土壤微生物、土壤代谢物和理化性质的影响，为转基因植物的潜在生态影响提供了全面的见解。

本研究利用微生物多组学技术分析了Bt水稻在土壤微生物组、土壤代谢组和根系分泌物代谢组中的相关变化。种植Bt水稻可以通过影响相对于非Bt水稻的根系分泌物组成来改变土壤C-N代谢，此外还可以在Bt蛋白含量最高的生长阶段进一步调节根际微生物群的组合。重要的是，Bt水稻的种植并没有显著改变潜在的益生菌或植物病原微生物的丰度，也没有降低土壤微生物群的稳定性，这表明Bt水稻对环境农业生态系统没有不良影响。总的来说，本研究的结果揭示了土壤微生物群和代谢组对Bt植物种植的潜在响应机制，并扩展了我们对转基因植物环境风险评估的见解。

• 方向四：

研究对象：污水

期刊：water research

影响因 子：13.400

时间：2023年

微塑料 (MPs) 和纳米塑料 (NPs) 在污水中普遍存在，并对污水处理系统中的氮生物转化构成潜在威胁。然而，关于 MPs 和 NPs 如何影响活性污泥的微生物氮转化和代谢的研究仍然很少。本文通过宏基因组分析研究了活性污泥系统中微生物组和功能基因对聚苯乙烯MPs和NPs的响应。

结果表明，1 mg/L的MPs和NPs对活性污泥系统的脱氮性能影响不大，而高浓度的MPs和NPs(20和100 mg/L)通过抑制氮转化过程，降低了总脱氮效率(13.4% ~ 30.6%)。MPs和NPs诱导的过多活性氧引起细胞毒性，表现为细胞膜受损和生物活性降低。宏基因组分析显示，MPs和NPs降低了反硝化菌(如中根瘤菌、红杆菌和Thauera)的丰度，同时降低了编码氮转化关键酶的功能基因(如napA、napB和nirS)以及与电子供体产生相关的基因(如mdh)的丰度，从而降低了脱氮效率。网络分析进一步阐明了塑料暴露系统中反硝化菌与反硝化相关基因之间的减弱关联，阐明了MPs和NPs通过抑制微生物对氮转化过程的贡献来抑制氮的去除。本研究为活性污泥系统中微生物群落结构和氮转化过程对微(纳米)塑料干扰的响应提供了重要的见解。

图. 功能基因组成

• 方向五：

期刊：Nature Biomedical Engineering

影响因子：29.234

时间： 2022年

抗生素能够破坏肠道菌群组成，引起宿主出现过敏、自身免疫病和肥胖等多种健康问题，并且长期抗生素治疗容易诱发肠道艰难梭菌（C. difficile）感染。因此，理想的抗生素治疗方案应该是只有在治疗胃肠道感染时才需要肠道中存在抗生素，而治疗非肠道部位的感染时尽量减少抗生素对肠道菌群的扰乱。

作者开发设计了一种可分泌β-内酰胺酶的工程菌，该工程菌经口服进入肠道后，可降解β-内酰胺类抗生素、保护肠道菌群、防止C. difficile感染。此外，本文发展的将编码β-内酰胺酶的基因片段分散到DNA不同片段和将β-内酰胺酶的两个亚基分泌到胞外再组装成活性酶的策略，确保了工程菌的生物安全性。这些方法和策略都为下一步的临床治疗应用提供了新的思路。

• 方向六：

研究对象： 极端环境中的微生物

期刊：Nature Reviews Microbiology

影响因子：78.297

时间：2022年

各种各样的微生物，包括许多新颖的、在系统发育上根深蒂固的分类群，在极端环境中生存和繁衍。这些独特而不复杂的生态系统为研究天然微生物群落的结构、功能和进化提供了巨大的机会。标记基因调查已经解决了这些极端微生物组合的模式和生态驱动因素，揭示了大量未培养的微生物多样性和古细菌在最极端条件下的优势。新的组学研究揭示了群落功能和环境变量之间的联系，并使得能够发现和基因组表征主要的新谱系，这些谱系大大扩展了微生物多样性并改变了生命之树的结构。

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