黃若誠

【摘 要】隨著新一代測序技術(shù)的快速發(fā)展，微生物宏基因組成為研究的熱點(diǎn)問題。當(dāng)前宏基因組數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出序列短小、通量巨大的特點(diǎn)，既包含豐富的環(huán)境微生物信息，也為分析處理帶來前所未有的挑戰(zhàn)。本文介紹高通量宏基因組數(shù)據(jù)在基礎(chǔ)微生物學(xué)、水體、土壤、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)研究等領(lǐng)域的研究與應(yīng)用，并分析其帶來的機(jī)遇與前景。

【關(guān)鍵詞】生物信息學(xué) 宏基因組 高通量測序

宏基因組（Metagenome）是1998年由Handelsman等人正式提出，定義為特定生物環(huán)境中全部微生物遺傳物質(zhì)的總和。宏基因組學(xué)通過直接從環(huán)境樣品中提取全部微生物的遺傳物質(zhì)DNA，利用第二代測序技術(shù)，得到高通量宏基因組數(shù)據(jù)，并結(jié)合微生物基因組學(xué)的研究成果，分析環(huán)境樣品所包含的全部微生物的群落組成及其結(jié)構(gòu)功能。高通量宏基因組數(shù)據(jù)在基礎(chǔ)微生物學(xué)、水體、土壤、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)研究等領(lǐng)域都顯示出了重要價(jià)值[1]。

1宏基因組學(xué)研究方法

宏基因組學(xué)的研究方法主要有：環(huán)境樣本的采集、宏基因組DNA的提取，高通量測序、所得序列的比對(duì)檢索分析，以及進(jìn)一步進(jìn)行微生物物種結(jié)構(gòu)和功能分析。其中，提取DNA要盡可能地提取出樣品中所以微生物的基因且保持基因片段的完整，目前的提取方法主要有直接裂解法和細(xì)胞提取法。隨著第二代測序技術(shù)的發(fā)展，宏基因組數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出序列短小、通量巨大的特點(diǎn)，一方面蘊(yùn)含更為豐富的環(huán)境微生物遺傳物質(zhì)信息，極大拓展了微生物學(xué)研究與應(yīng)用領(lǐng)域，另一方面也為分析處理帶來前所未有的挑戰(zhàn)。

2宏基因組學(xué)的應(yīng)用

在短短幾年內(nèi)，高通量宏基因組數(shù)據(jù)研究已滲透到各個(gè)領(lǐng)域，包括基礎(chǔ)微生物學(xué)、海洋學(xué)、土壤學(xué)、醫(yī)學(xué)等，并在醫(yī)藥、替代能源、環(huán)境修復(fù)、生物技術(shù)、農(nóng)業(yè)、生物防御及倫理學(xué)等各方面顯示了重要的價(jià)值[2]。

2.1基礎(chǔ)微生物學(xué)研究

宏基因組為基礎(chǔ)微生物學(xué)研究打開了新局面，得以快速準(zhǔn)確地探測新基因、發(fā)現(xiàn)新物種（如未知病原體等）以及準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)微生物群落的物種構(gòu)成及其功能結(jié)構(gòu)。由于自然界中大多數(shù)微生物物種及其生物量是未知的，其中大量微生物采樣困難、培養(yǎng)效率低下，這極大限制了傳統(tǒng)微生物學(xué)的研究與發(fā)展，而高通量宏基因組數(shù)據(jù)的產(chǎn)生則突破了這一束縛。通過分析高通量宏基因組數(shù)據(jù)，包括序列比對(duì)、De Novo組裝、GO分析等等技術(shù)，無需經(jīng)過提純培養(yǎng)，就能探測新基因、新物種，為微生物環(huán)境工程、疾病診斷治療奠定基礎(chǔ)。

2.2海洋學(xué)和土壤學(xué)研究

海洋和土壤中包含大量微生物，它們與生態(tài)環(huán)境關(guān)系密切。目前通過采用土壤、海水等環(huán)境樣品，獲取高通量宏基因組數(shù)據(jù)，探測其中微生物的組成及功能分布，能夠?qū)?dǎo)致生態(tài)環(huán)境變化的因素有更深入的認(rèn)識(shí)。如利用來自海洋石油污染區(qū)的微生物高通量宏基因組數(shù)據(jù)，分析其微生物相對(duì)豐度，可以有效探測石油降解細(xì)菌及其生態(tài)關(guān)系網(wǎng)，為污染治理提供新思路。利用來自豆類植物附近土壤測取的宏基因組數(shù)據(jù)，分析其中固氮菌含量及其關(guān)聯(lián)因素，有助于設(shè)計(jì)提高豆類產(chǎn)量種植模式。高通量宏基因組數(shù)據(jù)為認(rèn)識(shí)復(fù)雜的微生物群落構(gòu)成及其功能提供了可能，且必將在研究生物多樣性和微生物環(huán)境工程中發(fā)揮重要作用[3]。

2.3醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域

高通量宏基因組數(shù)據(jù)在現(xiàn)代醫(yī)藥學(xué)中扮演著極其重要的角色，一方面通過疾病樣本的宏基因組分析，可以確定病原體或致病基因及其與其他因素之間的關(guān)聯(lián)，為疾病治療提供可能；另一方面利用宏基因組數(shù)據(jù)篩選在醫(yī)藥業(yè)中具有重要應(yīng)用價(jià)值的基因及其產(chǎn)物，促進(jìn)醫(yī)藥發(fā)展。如利用取自不同牙周炎病況病人口腔高通量宏基因組數(shù)據(jù)，分析處理得到各樣本微生物相對(duì)豐度數(shù)據(jù)，比較不同牙周炎病況下的微生物整體分布情況，揭示出牙周炎與口腔微生物群落的生物多樣性和關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)之間有顯著聯(lián)系。

3結(jié)語

隨著高通量測序技術(shù)的迅猛發(fā)展，宏基因組分析已經(jīng)成為探索自然環(huán)境中微生物物種和功能組成的重要手段之一，是研究微生物群落的利器。宏基因組分析手段無需經(jīng)過復(fù)雜嚴(yán)苛的實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)過程，直接利用第二代高通量測序技術(shù)，快速產(chǎn)生成千上萬的自然微生物DNA序列的短讀片。但是高通量宏基因組數(shù)據(jù)也給研究帶來挑戰(zhàn)。它呈現(xiàn)出序列短小、通量巨大的特點(diǎn)。此外，高通量測序技術(shù)的準(zhǔn)確率低于傳統(tǒng)測序技術(shù)，亟需完善的概率統(tǒng)計(jì)模型和有效的算法實(shí)現(xiàn)[4]。

在應(yīng)用前景方面，隨著組合生物合成技術(shù)和納米技術(shù)迅速發(fā)展，可以考慮將宏基因組學(xué)技術(shù)與之結(jié)合，利用納米技術(shù)人工合成由宏基因組學(xué)的方法探測所得新興基因，促進(jìn)天然活性產(chǎn)物的開發(fā)及挖掘，進(jìn)一步促進(jìn)微生物工程的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]許忠能著.生物信息學(xué)[M].北京： 清華大學(xué)出版社，2009.

[2]賀紀(jì)正，張麗梅，沈菊培 等.宏基因組學(xué)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2008，28（2）： 209-218.

[3]周丹燕，戴世鯤等.宏基因組學(xué)技術(shù)的研究與挑戰(zhàn)[J].微生物學(xué)通報(bào)，2011，38（4）： 591-600.

[4]楚雍烈，楊娥.宏基因組學(xué)及其技術(shù)的研究進(jìn)展[J].Journal of Xian Jiaotong University（Medical Sciences）， 2008，29（6）： 35-43.