ISME | 通過長讀長宏基因組測序揭示南極土壤未培養細菌的生物合成潜力

劉永鑫Adam 2022-01-08 01:52:56 阅读数:377

isme 宏基 基因 揭示 土壤

關注我們

一起探索微生物領域的奧妙

摘要

日趨嚴重的抗生素抗性問題使得研究者們將目光轉移到可能是新的抗生素來源的未培養細菌上。擴增子測序與短讀測序分析錶明宏基因組中存在多樣化的生物合成基因簇(BGC)。本文通過長讀長測序從南極土壤中發現千餘個BGC,證明了未被研究過的譜系中的生物合成潜力。

1eb12300203ec5550d2d29ed33bf6bef.gif

b3e10f899433e2a5dfc0fe498e33b03b.gif

中文標題:通過長讀長宏基因組測序揭示南極土壤未培養細菌的生物合成潜力

英文標題:Biosynthetic potential of uncultured Antarctic soil bacteria revealed through long-read metagenomic sequencing

期刊:The ISME Journal

第一作者:Valentin Waschulin

通訊作者:Valentin Waschulin

作者單比特:School of Life Sciences, University of Warwick, Coventry, UK

a4563f1d3389afe0eade67ab057b9a14.gif

bef9954a441628ecb7599e93a7f36d9d.gif

正文內容

到目前為止,宏基因組學研究錶明地球上未培養的細菌具有非常高的多樣性,其中包含約97.9%的細菌OTU是未被完整測序的。研究者目前可以通過對宏基因組中編碼特化代謝物多樣性進行描述並加以利用,對宏基因組文庫的篩選也可以選出包括新的抗生素在內的化合物。對宏基因組組裝基因組(Metagenome-assembled genome, MAG)中生物合成基因組(Biosynthetic gene cluster, BGC)的挖掘與分析可以獲得對更多微生物天然產物的認識,為生成新的且有用的化合物提供了可能,這或許是開發新抗生素合成途徑的重要一步。已有研究證明全長BGCs可以通過長讀長宏基因組測序獲取,另外PCR克隆可以擴增BGC的异源錶達。針對BGC的鑒定、比較、與已知化合物的聯系等分析都已經有相關工具被設計出來,BGC數據庫也已經建立。

本研究的研究對象選取在南極洲,由於其地理與環境的特殊性,南極微生物的多樣性還未被深入研究。本研究利用長讀長鳥槍測序,結合基因組挖掘與基於分箱(bin)或重疊群(contig)的分類學鑒定分析了火星綠洲(Mars Oasis,比特於南極南部海域)上采集的土壤中的生物合成潜力,回收了超過1,400個高度多樣化且多為全長的BGCs。

c96d0871da217eab9a8d3282fd2befd0.png

圖1 A) 采樣點為南極“火星綠洲”;B) 長讀長序列與重疊群的分類信息;C) 分箱後的bins以及鑒定為BGCs的重疊群的分類信息。

測序策略

長讀長測序:牛津納米孔測序(Oxford Nanopore)MinION(序列數約930萬條,總堿基約44.4Gb,N50約9.4Kb) 

短讀長測序:Illumina HiSeq 150bp雙端測序(序列數約1.87億條,總堿基約28Gb)

主要結果

1.高度多樣化全長BGC的回收

在本研究中,共鑒定出1417個BGCs,其中564個(39.8%)比特於重疊群的頭尾端,因此可能是不完整的,其他853個(60.2%)則是全長的BGCs。所有BGCs中最豐富的種類是萜類化合物(terpenes,27.2%),其次是NRPS(非核糖體多肽合成酶,15.7%)和細菌素(bacteriocins,10.1%)。

2.長讀長與GTDB對於環境BGCs鑒定的提昇

利用GTDB蛋白數據庫替代NCBI-nr蛋白庫能够將含BGC的重疊群的分類鑒定(目水平)從36.8%提昇至71.8%。然而,GTDB蛋白數據庫相比之下要小得多,它在較細的分類水平上的代錶序列較少,因此本研究僅選用了綱水平和目水平進行了分類。

BiosyntheticSPAdes能够從短讀組裝重疊群中識別NRPS與PKS,利用該方法從28Gb短讀數據中預測了228個NRPS/PKS BGC,其中96.7%非全長。另外,BiosyntheticSPAdes方法預測的BGCs大多數都能通過blastn比對到長讀長預測的少部分BGCs上,也就是說短讀測序中也有很多BGCs能够組裝,只不過這種組裝更碎片化。然而,由於這種碎片化,大量BGCs的完整性、邊界以及潜在的修飾基因無法預測,因此其分類鑒定更難,實用性相對更低。

3.產生特化代謝物的門中的高度分化BGCs

本研究中,BGCs中有超過60%來自放線菌門(Actinobacteriota)、變形菌門(Proteobacteria)與擬杆菌門(Bacteroidota)。屬於酸杆菌門(Acidobacteriota)與疣微菌門(Verrucomicrobiota)的BGCs占總BGCs的20%。未發現古菌中的BGCs。

利用BiG-SLiCE query mode對1417個BGCs進行分析,計算其與由約120萬個已知BGCs組成的預計算的GCFs(Gene Cluster Families,基因簇家族)的距離d。其中,845個BGCs距離超過900,55個離群值距離超過了1800。每個門中距離差距都很大,這錶明每個門都含有與已知BGCs近源或遠源的BGCs

4cf5dda6d7e7544e6f0080ed4fafcbee.png

圖2B BiG-SLiCE門水平距離,黑色虛線d=900,灰色虛線d=1800

對於某一個綱來說,其距離因不同種類的BGCs也會錶現出差异。如擬杆菌門中距離值高的主要來源於NRPS類BGCs(圖2C)與萜類化合物BGCs(圖2E)。

4667845205ad6df3c47b9d6d1d641d78.png

圖2C-H BiG-SLiCE門水平距離(按不同BGC類別)

4.放線菌門與變形菌門中未培養與未探索的綱、目顯示出巨大的生物合成潜力

放線菌門中的放線菌綱(Actinobacteria)、酸微菌綱(Acidimicrobiia)與嗜熱油菌綱(Thermoleophilia)包含了大量的BGCs,且這些綱中還有相當一部分BGC未被歸入下一分類層級,可以認為未培養的放線菌中存在有大量的未被認知的多樣性,其中含有大量BGCs。

變形菌門中未被培養的營甲烷目UBA7966被認為是一類特化的代謝物生產者。該目下鑒定出96個BGCs,其中包括有萜類化合物、細菌素、磷酸鹽、NRPS類等,此外該目的覆蓋度很高,說明其豐度較高;其重疊群總長度長,錶明存在多個基因組。

參考文獻:

Waschulin, V., Borsetto, C., James, R. et al. Biosynthetic potential of uncultured Antarctic soil bacteria revealed through long-read metagenomic sequencing. ISME J (2021). https://doi.org/10.1038/s41396-021-01052-3

原文鏈接:

https://www.nature.com/articles/s41396-021-01052-3

11b336595ed38173aeb5ee0f0ebcf5e2.png94db2971b38da812598fd72e46290988.png

中國科學院生態環境研究中心

環境生物技術重點實驗室

鄧曄 研究員課題組發布

編譯:彭璽

4fbc333d40b98ef3fe226ce3e1bab074.png

公眾號:微生態筆記

微信號 : mem_denglab

● 掃碼關注我們

點擊下方“閱讀原文”可查看文章全文

猜你喜歡

10000+:菌群分析 寶寶與猫狗 梅毒狂想曲 提DNA發Nature Cell專刊 腸道指揮大腦

系列教程:微生物組入門 Biostar 微生物組  宏基因組

專業技能:學術圖錶 高分文章 生信寶典 不可或缺的人

一文讀懂:宏基因組 寄生蟲益處 進化樹

必備技能:提問 搜索  Endnote

文獻閱讀 熱心腸 SemanticScholar Geenmedical

擴增子分析:圖錶解讀 分析流程 統計繪圖

16S功能預測   PICRUSt  FAPROTAX  Bugbase Tax4Fun

在線工具:16S預測培養基 生信繪圖

科研經驗:雲筆記  雲協作 公眾號

編程模板: Shell  R Perl

生物科普:  腸道細菌 人體上的生命 生命大躍進  細胞暗戰 人體奧秘  

寫在後面

為鼓勵讀者交流、快速解决科研困難,我們建立了“宏基因組”專業討論群,目前己有國內外5000+ 一線科研人員加入。參與討論,獲得專業解答,歡迎分享此文至朋友圈,並掃碼加主編好友帶你入群,務必備注“姓名-單比特-研究方向-職稱/年級”。PI請明示身份,另有海內外微生物相關PI群供大佬合作交流。技術問題尋求幫助,首先閱讀《如何優雅的提問》學習解决問題思路,仍未解决群內討論,問題不私聊,幫助同行。

2c25ebf5028d17fdd1d86481ab2e116e.png

學習16S擴增子、宏基因組科研思路和分析實戰,關注“宏基因組”

點擊閱讀原文

版权声明:本文为[劉永鑫Adam]所创,转载请带上原文链接,感谢。 https://gsmany.com/2022/01/202201080152557390.html