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微生物群落多样性测序与功能分析

微生物群落测序是指对微生物群体进行高通量测序， 通过分析测序序列的构

成分析特定环境中微生物群体的构成情况或基因的组成以及功能。 借助不同环境

下微生物群落的构成差异分析我们可以分析微生物与环境因素或宿主之间的关

系，寻找标志性菌群或特定功能的基因。 对微生物群落进行测序包括两类， 一类

是通过 16s rDNA，18s rDNA，ITS 区域进行扩增测序分析微生物的群体构成和多

样性；还有一类是宏基因组测序，是不经过分离培养微生物，而对所有微生物

DNA进行测序，从而分析微生物群落构成，基因构成，挖掘有应用价值的基因资

源。

以 16s rDNA 扩增进行测序分析主要用于微生物群落多样性和构成的分析，

目前的生物信息学分析也可以基于 16s rDNA 的测序对微生物群落的基因构成和

代谢途径进行预测分析，大大拓展了我们对于环境微生物的微生态认知。

目前我们根据 16s 的测序数据可以将微生物群落分类到种( species )(一

般只能对部分菌进行种的鉴定)，甚至对亚种级别进行分析，

几个概念：

16S rDNA (或16S rRNA)： 16S rRNA基因是编码原核生物核糖体小亚基的

基因，长度约为 1542bp，其分子大小适中，突变率小，是细菌系统分类学研究

中最常用和最有用的标志。 16S rRNA基因序列包括 9 个可变区和 10 个保守区，

保守区序列反映了物种间的亲缘关系， 而可变区序列则能体现物种间的差异。 16S

rRNA基因测序以细菌 16S rRNA 基因测序为主 , 核心是研究样品中的物种分类、

物种丰度以及系统进化。

OTU：operational taxonomic units (OTUs) 在微生物的免培养分析中经常

用到，通过提取样品的总基因组 DNA，利用 16SrRNA或 ITS 的通用引物进行 PCR

扩增，通过测序以后就可以分析样品中的微生物多样性， 那怎么区分这些不同的

序列呢，这个时候就需要引入 operational taxonomic units ，一般情况下，如

..

果序列之间，比如不同的 16S rRNA 序列的相似性高于 97%就可以把它定义为一

个 OTU，每个 OTU对应于一个不同的 16S rRNA序列，也就是每个 OTU对应于一

个不同的细菌(微生物)种。通过 OTU分析，就可以知道样品中的微生物多样性

和不同微生物的丰度。

测序区段：由于 16s rDNA较长( 1.5kb )，我们只能对其中经常变化的区域

也就是可变区进行测序。 16s rDNA包含有 9 个可变区，分别是 v1-v9 。一般我们

对 v3-v4 双可变区域进行扩增和测序，也有对 v1-v3 区进行扩增测序。

工具 / 原料

16s rDNA测序首先需要提取环境样品的 DNA，这些 DNA可以来自土壤、粪

便、空气或水体等任何来源。

提取 DNA后需要经过质检和纯化，一般 16s rDNA 测序扩增对 DNA的总量

要求并不高，总量大于 100ng，浓度大于 10ng/ul 一般都可以满足要求。如果是

来自和寄主共生的环境如昆虫的肠道微生物， 提取时可能包括了寄主本身的大量

DNA，对 DNA的总量要求会提高。微生物菌群多样性测序受