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Nature | 多组学探索微生物群落系统组成
发布日期：2017-03-02浏览：
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背景介绍：该文于2015年发表在《Nature》(IF=41.456)上，基于分子生物学手段揭示了一些冻土环境微生物组的特征及基因功能构成。以及在短期解冻实验过程中活性功能基因的表达情况。
在地球表面约20%的区域覆盖着冻土，冻土中蕴含着大量的碳。冻土解冻后，有可能是未来从生物圈儿释放进大气层的最大碳来源。这一过程很大程度上是由微生物反应决定的，但是我们对其中微生物活性的真实状况知之甚少，更别说解冻及永久冻土中的状况了。分子生物学研究揭示出一些永久冻土环境中的微生物组的构成及功能基因组成，并对短期快读解冻实验中功能基因的快速转化进行了描述。然而，冻土碳资源的命运取决于气候，冻融过程中的水文及微生物响应情况。
本文，利用多种分子生物学“组学”手段来探索微生物群落的系统组成，包括若干新物种的基因组草图，不同解冻状态（永久冻土，季节性融化土壤及热岩沼泽土壤）下土壤的功能机活性。多组学研究策略显示出对主过程进行组学数据处理的良好相关性,比如，沼泽中的甲烷生成，以及永久冻土中潜在活性微生物的生存策略。
实验设计：
1. 取样（重复样本）：高原永久冻土，季节性融化冻土及热喀斯特沼泽土壤样本。
2. 策略：
- 16s rRNA测序（每组4例）确定微生物群落构成；
- Metagenomic 测序（MG）研究功能基因及系统组成，数据量84.2Gb；
- Metatranscriptome测序（MT）研究活性基因表达，数据量20.4Gb；
- 鸟枪质谱分析（MP）研究蛋白质合成情况，~7000蛋白质；
3. 进行不同分子方法的比较，测定过程速率，进行样本基因表达量和表达活性的分析（MT/MG）。以及其他土壤指标检测。
主要结果：
1. 三种类型的土壤环境中具有自己独特的基因，转录组和蛋白质构成。
基于宏基因组，宏转录组和宏蛋白组研究发现，主要的数据构成来源于细菌和古菌，而真菌只占有极少一部分（MG 0.07 6 0.04%, MT 0.41 6 0.47%, zero in MP），顾不展开讨论。三种土壤类型中，相比较于转录组和蛋白质，共有基因的数据多。永久冻土相对于其他两种类型土壤而言，转录组和蛋白质更少也更为独特。而后两者则共享较多转录组信息。
2. 通过16s的数据分析显示，在永久冻土中最丰富的细菌类群为绿弯菌门Chloroflexi(19.2 6 6.3% s.d.)、变形菌门Proteobacteria(17.9 6 1.3%)和放线菌门Actinobacteria(12.5 6 3.1%)（下图a）。在宏基因组和宏转录组数据中也观测到相似的分布趋势（下图b）。
当然，也存在一些细节差异吧，比如某一种属在MG及16s数据中的占比会存在差异，这是与方法偏差相关。而一些信息在MG和MT中的差异，则是由于收集样本时的表达活性造成的：在永久冻土中MT/MG值最高的物种为变形菌门，放线菌门和厚壁菌门（Proteobacteria(MT/MG 5 1.7), Acidobacteria (MT/MG 5 1.4), and Firmicutes），表明在零度环境下这些物种是活跃的（下图b）。此外，季节性冻融土壤相比其他两种土壤在物种和功能的多样性上更高（图a），此外，其中放线菌门，酸杆菌门和变形菌门（Actinobacteria, Acidobacteria and Proteobacteria）的成员MT/MG值最高，说明他们在季节性冻融土壤中的是最具活力的物种（图b）。基于宏基因组数据，本研究还组装获得了一些菌种的基因组草图。
3. 联合土壤性质及组学数据对以甲烷为主的高产甲烷速率进行预测观察（下图）。
针对MG及MT数据中检测到的产甲烷基因信息，热岩沼泽土壤中其MT/MG值最高，同时，这种土壤中其产甲烷菌16s测序结果及转录组，蛋白质也是较丰富的（下图右）。
4. 从宏蛋白组学数据分析土壤中微生物产生/稳定存在的蛋白质情况。
下图从上至下分别展示永久冻土（蓝色背景），季节性冻融土（绿色背景）和热岩沼泽土壤（红色背景）的宏蛋白组情况。大多数蛋白与MG结果一致。在永久冻土中，检测到相对较高的冷休克蛋白，这与冻土的冷冻特性相关。令人惊讶的是在冻土中也观测到趋化和运动蛋白，表明一些成员具有运动能力。永久冻土的transporters相对于其他两种土壤较少。在冻融土中，也会检测到一些冷休克蛋白，反映出这种土壤微生物类群的特征性适应：不仅需要适应季节性的温度变化，还要承受住极端冰冻环境。而在热岩沼泽土壤中，冷休克蛋白或其他一些压力适应性蛋白则相对较少。
（永久冻土）
（季节性冻融土）
（热岩沼泽土壤）
5. 研究中还对宏蛋白组及微生物基因组数据进行关联，获得与这些蛋白质相关的微生物信息，进一步探讨了微生物功能与环境条件之间的关系。
参考文献：Multi-omics of permafrost, active layer and thermokarst bog soil microbiomes. Nature, 2015.
