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宏基因組學(Metagenomics),也稱元基因組學,利用新一代高通量測序技術(NGS)以特定環境下微生物群體基因組為研究對象,在分析微生物多樣性、種群結構、進化關系的基礎上,可進一步探究微生物群體功能活性、相互協作關系及與環境之間的關系,發掘潛在的生物學意義。與傳統微生物研究方法相比,宏基因組測序技術規避了絕大部分微生物不能培養、痕量菌無法檢測的缺點,因此近年來在環境微生物學研究中得到了廣泛應用。

適用范圍

1. 醫學領域:代謝病、腫瘤癌癥等;

2. 畜牧領域:腸道、瘤胃(如產甲烷菌類群)與動物健康/營養消化研究等;

3. 農業領域:根際微生物與植物互作、農業耕作/施肥處理與土壤微生物群落等;

4. 環境領域:霧霾處理、污水治理、石油降解、酸性礦水處理及海洋環境等;

5. 生物能源:特殊功能的菌株、基因挖掘、工程菌的開發;

6. 特殊極端環境:極端環境條件下的微生物類群研究。

美吉優勢

擁有標準化操作實驗室和高通量測序技術平臺,實驗周期短,質量可靠。

擁有 Illumina HiSeq 2500 和 HiSeq 4000 等多種高通量測序平臺。

擁有先進的拼接組裝技術,全面高級的分析內容。

技術人員經驗豐富,可以根據合作伙伴要求提供宏基因組、多組學實驗方案、解決實驗問題、分析實驗結果。

擁有專業的生物信息團隊和大型計算機,可以為合作伙伴提供個性化的生物信息分析服務。
美吉生物利用各組學技術為客戶在微生物領域發表文章300+篇,其中宏組學文章10+篇,累計影響因子1000+。

實驗流程


生信分析流程圖

技術參數


送樣要求

土壤:10 g;糞便:3-5 g;血液:10 mL;污泥/沉積物:5-10 g

DNA:總量 ≥ 1 μg、濃度 ≥ 10 ng/μL1.8 < OD260/280?< 2.0

平臺選擇

?Illumina PE100/125/150

推薦測序量

腸道/糞便 > 3G;水體3-5G;土壤/污泥 > 8G


案例一:腸道微生物群區分痛風患者和健康人群

? ? ? ?痛風是由嘌呤代謝失調引起的一種自發性炎癥疾病。尿酸是嘌呤代謝的終產物,尿酸鹽在關節和關節周圍組織中沉積,引起關節嚴重疼痛,誘發痛風。目前臨床檢測痛風的兩個指標:1) 關節及關節周圍組織尿酸鹽沉積引發嚴重疼痛感;2) 血液中高尿酸含量(主要的檢測指標)。但尿酸檢測敏感度低,目前沒有一個精準的診斷方法。目前已經了解到腸道微生物參與嘌呤和尿酸代謝,因此本研究利用微生物構建一種新型診斷痛風的高精準檢測指標。


實驗設計:

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實驗結果:


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圖1 痛風患者和健康人腸道菌群結構差異



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圖2 痛風患者腸道菌群分類學特征MGS分析

(共獲得41MGS,其中疾病組19個,健康組22


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圖3 利用ROC分析檢測基于屬水平差異菌群作為預測模型區分痛風和健康人的準確性


圖4 痛風患者腸道菌群COG功能預測


案例二:通過模擬升溫揭示歐亞大草原對氣候變化的正回饋作用

?? ? ? 溫室氣體增加導致氣候變暖,一方面可能引起土壤微生物正向反饋,加速分解有機質釋放更多的溫室氣體,另一方面土壤微生物可能適應于氣候變暖,維持自身穩定甚至負向反饋。然而因為土壤有機質具有多種分解形式和緩慢的分解速率,因此對反饋模式的檢測依然存在挑戰。溫度和降水量是影響陸地生態系統生物多樣性和生態功能的關鍵因素,因此研究土壤微生物對其他生態系統類型,以及溫度和降水量同時變化時的反饋非常重要。本研究通過建立溫度和降水量模型,利用宏基因組技術研究土壤有機質轉化相關基因的組成和相對豐度,同時檢測了一系列土壤理化性質,以期準確檢測微生物對環境變化的反饋模式。


實驗設計:

1)實驗分組:設置310 m × 15 m樣方,并在每個樣方內設置83 m × 4 m小樣方(圖1)。主要進行2種實驗處理:1wateringW),在7-8月每周加入15 mm水,全年總計加入120 mm2warmingT),使用MSR-2420紅外散熱器連續加熱,最終地表土壤溫度上升約1.1℃

2)樣本采集:隨機選取小樣方中4個位點采集土壤樣本,并去除表層葉片,采樣位點距離植物莖不少于2英尺,將4個位點的土壤混合成1個樣本,并過2 mm篩去除植物根;

3)實驗策略:檢測土壤有機質含量、TNNH4+NO3-、含水量、pH和溫度;對23個土壤樣本進行宏基因組測序并篩選rRNA基因序列進行細菌和真菌群落的物種注釋。


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實驗樣地示例圖

CTWWT分別代表對照組、warming組、watering組和warming+watering組)


實驗結果:



圖1 不同實驗處理組土壤有機質降解相關基因相對豐度的Heatmap

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圖2 氮和硫代謝通路相關基因豐度差異示例圖

圖3 PERMANOVA分析實驗處理對土壤微生物群落物種(a)和功能(b)組成的影響,及物種和功能組成之間的相關性(c


參考文獻:

[1]Guo Z, Zhang J, Wang Z, et al. Intestinal Microbiota Distinguish Gout Patients from Healthy Humans[J]. Scientific reports, 2016, 6.

[2]Zhang X, Johnston E R, Li L, et al. Experimental warming reveals positive feedbacks to climate change in the Eurasian Steppe[J]. The ISME Journal, 2016.


(1)宏基因組測序總DNA的提取有哪些注意事項?

獲得高質量的環境樣品總DNA是宏基因組測序能否成功的關鍵。為了提取的DNA能夠代表特定環境樣品中的微生物種類,取樣時必須嚴格遵循采樣標準,盡量避免對樣品的干擾,縮短保存和運輸的時間,以盡可能地保持樣品的微生物原貌。若要對功能基因簇進行研究,在提取DNA時,既要盡量完全地抽提出樣品中的DNA,又要使獲得的DNA保持較大的片段,因此在DNA提取時要在最大提取量和最小剪切力之間進行折中。


(2)采用Illumina高通量測序平臺進行宏基因組測序,應如何構建文庫?

從環境樣品中提取總DNA后,進行測序文庫制備,具體步驟如下:DNA隨機打斷成300bp的片段;DNA末端進行平滑化及修復處理;③3’末端加“A”堿基;④DNA兩端加上“Y”型接頭;PCR擴增進行文庫模板的富集檢測文庫質量。

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