下一代测序技术在宏基因组学中的应用

原创已于 2024-12-18 16:26:32 修改 · 1.1k 阅读

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于 2024-12-18 16:25:24 首次发布

随着生物技术的迅猛发展，下一代测序技术（Next Generation Sequencing, NGS）已成为现代生物学和医学研究的核心工具之一。NGS技术不仅极大地提高了DNA测序的速度和通量，还显著降低了测序成本。这些优势使得NGS在多个领域得到了广泛应用，其中宏基因组学（Metagenomics）是一个重要的应用方向。本文简要介绍了NGS技术在宏基因组学中的应用。

宏基因组简介

宏基因组学（Metagenomics），又称为微生物环境基因组学或元基因组学，是一种研究特定环境中全部微生物遗传组成及其群落功能的新兴学科。随着高通量、低成本的下一代测序技术（Next-Generation Sequencing, NGS），特别是宏基因组下一代测序（mNGS）技术的出现，极大地推动了宏基因组学的研究和应用。

宏基因组测序利用新一代高通量测序技术（NGS）对特定环境中的微生物基因组进行研究分析。它结合生物信息学方法，研究微生物多样性、群落结构、进化关系、功能预测以及与环境的互作关系。与传统微生物研究方法相比，宏基因组测序技术解决了绝大部分微生物不能培养的难题，近年来在环境微生物学研究中得到广泛应用。

下一代测序（NGS）技术概述

图1 测序技术的发展

过去四十年来测序技术的发展可以分为三代 $^{ [1] }$ 。第一代以Sanger测序为代表，为DNA测序奠定了基础。第二代引入了大规模并行测序，如Illumina、Ion Torrent和DNBSEQ等平台，具有高通量、低成本、高准确性等优点，适用于宏基因组研究。第三代包括PacBio和Nanopore等，提供了长读长和单分子测序能力，具有长读长、无需PCR扩增等优点，适用于宏基因组组装和注释。

图2 各种NGS技术的概览

目前，对于NGS包含哪些测序技术，并没有明确统一的界定。有观点认为有别于第一代Sanger技术的大规模并行测序技术（massively parallel sequencing，简写MPS），均属于NGS（包括第二代和第三代测序技术）。另一种观点则认为NGS指的是基于大规模并行测序的技术（第二代测序技术），尽管其测序原理不同于Sanger测序，但它与Sanger测序一样，仍需要对测序分子进行扩增，而第三代测序技术则代表了测序技术的进一步发展，它们的特点是可以直接对单个DNA分子进行实时测序，从而产生更长的读长（long reads），这种技术减少了对PCR扩增的需求，有助于减少测序偏差，并且可以更好地解决重复序列和结构变异等问题，尽管在某些文献中可能会有一些模糊的表述，该观点认为NGS主要指的是第二代测序技术。

NGS技术在宏基因组学中的优势

1.高通量

NGS 技术能够在短时间内产生数百万甚至数十亿条序列读取，这为大规模宏基因组样本的深度测序提供了可能。

2.低成本

相比传统测序方法，NGS 技术大大降低了测序成本，使得宏基因组研究更加经济可行。

3.快速检测

从样品准备到数据分析，整个过程可以迅速完成，加速了科学研究的步伐。

4.灵活性

NGS 平台支持多种类型的测序实验，包括全基因组重测序、转录组测序等，适应性强。

NGS在宏基因组中的应用

环境微生物学

NGS技术的出现极大地推动了宏基因组学的发展，尤其是在环境微生物研究领域。NGS技术能够以高通量的方式对复杂样本中的所有DNA进行测序，这为探索环境微生物群落的组成、功能以及它们与环境之间的相互作用提供了前所未有的机会。

以下是NGS在宏基因组环境微生物研究中的一些主要应用：

1.微生物多样性分析

通过使用NGS技术，研究人员可以对环境样品中的微生物DNA进行全面测序，从而鉴定出其中存在的微生物种类，包括细菌、古菌、真菌、病毒等，并评估其多样性和丰度。这对于理解不同生态系统中的微生物组成及其随时间和空间的变化至关重要。

2.功能基因分析

NGS不仅能够揭示微生物的物种信息，还能帮助识别特定的功能基因，如那些参与氮循环、碳循环等生态过程的关键酶编码基因。通过对这些功能基因的研究，可以深入了解微生物在环境物质循环中的作用。

3.微生物相互作用网络构建

利用NGS数据，科学家们能够构建微生物间的相互作用网络，探索微生物之间以及微生物与环境因素之间的复杂关系。这种网络分析有助于理解微生物群落在生态系统功能维持中的作用机制。

4.环境污染监测与生物修复

NGS技术也被广泛应用于环境污染监测及污染场地的生物修复研究。通过分析受污染环境中微生物群落的结构变化，可以评估污染物的影响并寻找潜在的生物修复微生物，为环境污染治理提供科学依据。

5.新物种发现与分类学研究

NGS技术使得从环境样本中发现新微生物种属成为可能，促进了微生物分类学的发展。通过对未培养微生物的基因组信息进行解析，可以更好地理解地球上生命的多样性。

总之，NGS技术在宏基因组环境微生物研究中的广泛应用，不仅加深了我们对微生物世界的认识，也为环境保护、资源开发等多个领域带来了新的机遇和挑战。随着技术的进步和成本的降低，预计未来NGS将在更多方面发挥重要作用。

医学领域

NGS技术在宏基因组医学研究中扮演着越来越重要的角色，它能够帮助科研人员和医生更深入地了解人体微生物组与健康和疾病之间的关系。

以下是NGS在宏基因组医学研究中的几个关键应用领域：

1.疾病相关性研究

通过分析患病个体与健康对照组的微生物组差异，NGS技术可以帮助识别特定疾病状态下的微生物特征，比如炎症性肠病、肥胖症、糖尿病等。这些发现有助于理解疾病的发生发展机制，为疾病的早期诊断和治疗提供新的靶点。

2.抗生素耐药性监测

NGS能够快速准确地检测到微生物群体中存在的抗生素抗性基因，这对于监控抗生素耐药性的传播趋势、指导临床合理使用抗生素具有重要意义。此外，通过分析耐药性基因的分布情况，还可以探索耐药性产生的分子机制。

3.个性化医疗

基于个体微生物组信息的精准医疗正在成为可能。通过NGS技术获取患者特异性的微生物组数据，结合遗传背景、生活方式等因素，可以制定更加个性化的预防和治疗方案，提高治疗效果。

4.肠道微生物与脑部健康

近年来，越来越多的研究表明肠道微生物组与大脑功能之间存在密切联系，即所谓的“肠-脑轴”。NGS技术的应用有助于揭示这一复杂关系背后的分子机制，为神经精神类疾病的防治开辟新途径。

5.新生儿与婴幼儿健康

新生儿和婴幼儿期是人体微生物组建立的关键时期。NGS技术可以用于研究这一过程中微生物组的动态变化及其对宿主免疫系统发育的影响，对于促进儿童健康成长具有重要意义。

6.感染性疾病诊断

在感染性疾病的诊断方面，NGS技术能够直接从临床样本中检测病原体的核酸序列，实现快速准确的病原体鉴定，特别是在面对未知或罕见病原体时显示出巨大优势。

总之，NGS技术在宏基因组医学研究中的广泛应用，不仅促进了人类对自身微生物组的认识，也为疾病的预防、诊断和治疗带来了革命性的变革。随着技术的不断进步和成本的进一步下降，NGS在未来医疗领域的潜力将得到更大程度的释放。

农业领域

NGS技术在农业研究中，特别是宏基因组学领域，发挥着越来越重要的作用。通过分析土壤、植物根际、叶片表面等环境中的微生物群落，NGS技术帮助科学家们更好地理解农业生态系统中微生物的作用，进而优化农业生产实践。

以下是NGS在宏基因组农业研究中的几个主要应用方向：

1.土壤健康与肥力管理

生物多样性分析：NGS可以用来评估土壤中微生物的多样性和群落结构，这对于监测土壤健康状况、评价土地利用方式对土壤微生物的影响具有重要意义。
功能微生物筛选：通过功能基因分析，可以筛选出参与土壤养分循环（如氮素固定、磷溶解）的有益微生物，为开发新型生物肥料提供候选菌株。

2.植物病害防控

病原体鉴定：NGS技术能够快速准确地从复杂样本中鉴定出植物病原体，包括细菌、真菌、病毒等，对于病害早期预警和精准防控至关重要。
抗病微生物筛选：研究植物根际微生物组，寻找能够抑制病原菌生长或增强植物抗逆性的有益微生物，开发生物防治方法。

3.作物改良与育种

微生物-植物互作：通过分析作物与周围微生物之间的相互作用，了解特定微生物如何影响植物生长发育、产量形成及品质改善，为作物改良提供理论依据。
基因编辑辅助：结合CRISPR-Cas9等基因编辑技术，利用NGS筛选出与作物性状相关的微生物及其代谢产物，指导作物的遗传改良。

4.农业可持续发展

环境友好型农业实践：研究不同农业管理措施（如有机耕作、减少化学肥料使用）对土壤微生物群落的影响，评估其长期效应，支持环境友好型农业的发展。
气候变化适应性：分析气候变化条件下微生物群落的变化规律，探讨微生物如何帮助作物适应极端气候条件，提高农业系统的韧性。

5.食品安全

食品生产链中的微生物监控：从农田到餐桌的整个食品供应链中，利用NGS技术监测潜在的致病微生物，确保食品安全。
发酵食品的微生物组研究：探究传统发酵食品（如酸奶、泡菜）中微生物的组成及其对产品风味、营养价值的影响，促进特色农产品的开发。

综上所述，NGS技术在农业宏基因组研究中的广泛应用，不仅深化了我们对农业生态系统中微生物作用的理解，还为提高农作物产量、质量，保障食品安全，促进农业可持续发展提供了强有力的技术支撑。随着技术的不断发展和完善，NGS在农业领域的应用前景将更加广阔。

结论

NGS技术在宏基因组中的应用已经渗透到多个领域，从环境微生物学到医学、农业、食品工业以及口腔微生物研究等。这些技术不仅提高了研究效率，还为疾病诊断、环境保护、农业生产和食品安全提供了新的视角和工具。随着技术的不断进步，未来宏基因组测序技术的应用前景将更加广阔。

参考文献

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