宏基因组和宏蛋白组
宏基因组名词解释
宏基因组名词解释宏基因组是指特定环境全部生物遗传物质总和，决定生物群体生命现象。
宏基因组是由 Handelsman 等 1998 年提出的新名词，其定义为环境中全部微小生物遗传物质的总和。
它包含了可培养的和未可培养的微生物的基因，目前主要指环境样品中的细菌和真菌的基因组总和。
宏基因组学(或元基因组学，metagenomics)是一种以环境样品中的微生物群体基因组为研究对象，以功能基因筛选和/或测序分析为研究手段，以微生物多样性、种群结构、进化关系、功能活性、相互协作关系及与环境之间的关系为研究目的的新的微生物研究方法。
一般包括从环境样品中提取基因组DNA, 进行高通量测序分析，或克隆DNA到合适的载体，导入宿主菌体，筛选目的转化子等工作。
特定生物种基因组研究使人们的认识单元实现了从单一基因到基因集合的转变，宏基因组研究将使人们摆脱物种界限，揭示更高更复杂层次上的生命运动规律。
在目前的基因结构功能认识和基因操作技术背景下，细菌宏基因组成为研究和开发的主要对象。
细菌宏基因组、细菌人工染色体文库筛选和基因系统学分析使研究者能更有效地开发细菌基因资源，更深入地洞察细菌多样性。
宏基因组英文metagenome，早期也被称为元基因组。
其含义分为广义和狭义两种。
广义的宏基因组或宏基因组学泛指研究微生物群体组成、功能基因、代谢产物的学科、以揭示微生物组组成结构、微生物组与宿主、微生物组内的相互作用关系。
狭义的宏基因组，即宏基因组DNA测序技术——仅指对微生物群落DNA进行高通量测序，鉴定群体中所有功能基因的种类和丰度。
该方法又分为实验和分析两个阶段，实验阶段主要包括样本采集、DNA提取、高通量测序；数据分析阶段主要包括序列质量控制、组装、基因预测和定量、物种鉴定、样本组间差异功能基因和通路的比较等。
土壤微生物宏基因组
土壤微生物宏基因组土壤微生物宏基因组是研究土壤微生物群落组成和功能的重要手段之一。
宏基因组学的兴起为我们揭示土壤微生物世界的奥秘提供了有力的工具和方法。
本文将从土壤微生物宏基因组的概念、研究方法、应用领域以及未来发展方向等方面进行介绍和探讨。
一、概念土壤微生物宏基因组是指通过高通量测序技术对土壤微生物群落中的全部基因进行测序和分析，以获取该群落的基因组信息。
与传统的微生物学研究方法相比，宏基因组学不仅可以研究单个微生物的基因组，还可以同时研究整个微生物群落的基因组，从而揭示微生物群落的结构和功能。
二、研究方法土壤微生物宏基因组的研究主要包括样品采集、DNA提取、高通量测序、数据分析和功能注释等步骤。
首先，需要在不同的土壤样品中采集微生物样品，并将其保存在适当的条件下，以保证样品的完整性和稳定性。
然后，通过DNA提取技术提取土壤微生物的基因组DNA，这是进行宏基因组测序的前提。
接下来，利用高通量测序技术对提取的DNA进行测序，获得大量的DNA序列数据。
最后，通过数据分析和功能注释等方法，对测序数据进行处理和解读，以获取土壤微生物群落的结构和功能信息。
三、应用领域土壤微生物宏基因组的研究在农业、环境和生态学等领域具有广泛的应用价值。
首先，它可以帮助我们了解土壤微生物的多样性和功能特点，揭示微生物对土壤生态系统的影响和作用机制。
其次，它可以用于评估土壤质量和健康状况，为土壤管理和农业生产提供科学依据。
此外，它还可以用于研究土壤中的微生物致病性和抗性机制，为疾病预防和治理提供理论支持。
此外，宏基因组学还可以应用于环境污染的监测和修复，为环境保护和可持续发展提供技术支持。
四、未来发展方向土壤微生物宏基因组研究在过去几年取得了长足的进展，但仍面临一些挑战和机遇。
未来的研究方向主要包括：1）进一步提高测序技术的准确性和通量，以获取更多的微生物基因组数据；2）开发新的数据分析方法和工具，以提高数据的解读效率和准确性；3）深入研究土壤微生物群落的功能特征和相互作用机制，揭示其对土壤生态系统的影响和调控机制；4）加强与其他学科的交叉和合作，如土壤学、植物学和生物信息学等，以提高土壤微生物宏基因组研究的综合应用能力。
宏基因组测序介绍
宏基因组测序介绍
宏基因组测序（Metagenomics Sequencing）又称为环境基因组测序，是一种对复杂环境中所有微生物生物群体的遗传信息进行分析的高通量测序技术。
与传统分离培养方式不同，宏基因组测序可以直接提取环境样品中所有微生物的总DNA，并通过测序技术进行分析，从而得到环境样品中所有微生物群体的遗传信息。
宏基因组测序的优点是高通量、快速、高效、无偏差、不需要微生物分离和培养，可以对满足各种环境条件的微生物进行整体性的研究，从而更加真实地反映生物在环境中的生态学特征，为生态学、环境保护等领域的研究提供了数据支持。
宏基因组-PPT
Escherchia coli Escherchia coli Escherchia coli Escherchia coli Escherchia coli Saccharomyces
2.环境保护和污染修复
挖掘降解基因和功能菌株，进行生物修复 获取任何序列的基因或功能，由此合成新物质或发 现新的生物物种。 发掘极端环境为生物的新物种，了解其耐受机制， 帮助极端环境的污染修复。 从宏基因组中分离的重要基因元件组编成具有其他 活性成分、或可降解污染物功能的基因簇，以替代 原有不易降解化合物，或直接降解环境中石油烃、 有害有害化合物、重金属。
（1）基于序列的筛选方法
②.焦磷酸测序( Pyrosequencing)
焦磷酸测序技术是在焦磷酸盐测序法的基础 上结合一种乳胶材料和皮升级反应孔，将基因组 DNA 进行随机切割，批量地进行整个测序反应， 能够在相同的时间内破译 6×106组以上的基因组 序列，比 Sanger法要快100倍，提高了测序的效 率。
底物诱导基因 表达法SIGEX screening
1.样品中DNA的提取和富集
采用合适的方法，既要尽可能地完全抽提出 环境样品中的DNA，又要保持较大的片段以 获得完整的目的基因或基因簇。所以提取原 则是在最大提取量和最小剪切力之间折中 常用的提取方法有直接裂解法和间接提取法 (细胞提取法)
3.开拓天然产物新资源
2000年8月, Brady和 Clardy等人构建了一 个含有约7000000个5个, 并从 其中一个克隆发酵物 中分离出一系列具有 抗菌活性的长链N2酰 基酪氨酸类新化合物 1213
宏蛋白质组学
2005 年, 美国一项针对切萨皮克海湾(Chesapeake)的蛋
白质组学研究, 被认为是第一个研究纯天然环境的宏蛋白
质组学工作, 研究者利用滤膜收集了海湾不同水域的微生
物群落, 利用2D电泳展示了其蛋白质组, 并通过质谱方法 鉴定了部分蛋白。
析，并研究这些蛋白质的来源及其在生态系统中的功能。 对土壤样品中的蛋白质组成分析表明大多数蛋白质是细菌 蛋白质，湖水表层水样中78％的蛋白质也来自细菌；而 在森林采取的水样中，来自植物，真菌和脊椎动物的蛋白 质含量约是湖水样品中的2倍。有趣的是，森林土壤中的 细菌蛋白数量在冬天比夏天多。 当把所有发现的已知功能的蛋白质进行比较时发现，在湖 水和森林样品中的蛋白质组成存在不同。 降解复杂分子的过氧化物酶只在来自森林土壤的水样品中 发现，而与甲烷合成有关的酶只在湖水样品中发现。 不同微生物群体及其功能不同，从而反应出微生物生态系 统的整体变化。
蛋白质组学的一般研究策略
早期环境微生物研究主要依赖于纯培养技术，在过去的25
年中，依靠纯培养技术所进行的研究揭示了一些有关环境 微生物的组成及其多样性的信息。 但是，环境微生物仅有一小部分可培养，其余大多数为未 培养微生物，宏基因组学的出现部分弥补了传统的研究方 法所存在的局限性。
蛋白质组学的一般研究策略
宏基因组学其弊端也显现出来：由于重复基因的
存在、基因表达的时空特异性和蛋白质修饰作用 等原因，复杂环境条件下环境微生物基因特异性 表达及其功能并不能通过宏基因组学的研究得到 揭示，而这种信息往往是生态环境中最重要的部 分 宏蛋白质组学的出现弥补了这个弊端。
蛋白质组学的一般研究策略
不同环境含有高浓度有机物的水样品进行宏蛋白质组成分
宏基因组 效应因子-概述说明以及解释
宏基因组效应因子-概述说明以及解释1.引言1.1 概述概述宏基因组（metagenome）是指从一个生态系统中采集到的所有微生物基因组的总和。
宏基因组研究领域的涌现，使我们能够深入了解微生物群落的结构和功能。
传统的基因组学研究主要关注单个微生物的基因组，而宏基因组学则关注整个微生物群落的基因组。
宏基因组的研究方法包括高通量测序技术和生物信息学分析。
高通量测序技术使我们能够对微生物群落中的各种微生物进行全面的基因组测序，包括细菌、真菌、病毒等等。
生物信息学分析则用于对这些海量的基因序列进行解读和分析，以获取微生物群落的组成、功能和相互关系等信息。
效应因子在宏基因组中起着重要的作用。
效应因子是指调节微生物群落结构和功能的关键因素，可以影响微生物的生长、代谢和相互作用等过程。
在宏基因组中，效应因子可以是环境因素、营养物质、宿主因子等等。
它们与微生物群落的相互作用密切相关，对维持微生物群落的稳定性和功能发挥起着重要作用。
本文将重点介绍宏基因组和效应因子在微生物研究中的意义和应用。
通过探究宏基因组的定义和研究方法，我们可以更深入地理解微生物群落的多样性和功能特征。
同时，我们还将探讨效应因子在宏基因组中的作用，以期为微生物研究提供更多的启示和方向。
在接下来的章节中，我们将详细介绍宏基因组和效应因子的概念、特点和研究进展。
通过对相关文献的综述和分析，我们将总结宏基因组和效应因子对微生物群落和生态系统的影响，为未来的研究提供展望和建议。
文章结构部分的内容如下：1.2 文章结构本文将按照以下结构组织：第一部分为引言部分，主要介绍本文的背景和目的。
在引言的第一节中，将对宏基因组和效应因子的概念进行概述，以便读者对后续内容有一个基本的了解。
接下来的第二节将介绍本文的结构，即各个章节的主要内容和安排。
最后的第三节将明确本文的目的，即通过对宏基因组和效应因子的研究，揭示它们在生物体中的作用和意义。
第二部分为正文部分，重点讨论宏基因组和效应因子。
宏基因组物种注释和丰度计算方法rpkm
宏基因组物种注释和丰度计算方法rpkm 大家好，今天我要给大家讲解一下宏基因组物种注释和丰度计算方法rpkm。
我们要了解什么是宏基因组。
宏基因组是指在一定时间和空间范围内，所有生物体内的基因的总和。
而物种注释呢？就是给我们的基因按照不同的物种进行分类。
那么丰度计算又是什么呢？丰度计算就是告诉我们每个物种在整个宏基因组中所占的比例。
接下来，我们先来了解一下rpkm这个概念。
rpkm是relative protein abundanceper kilobase of genome的缩写，翻译过来就是相对于基因组每千碱基对的蛋白质丰度。
那么为什么要用rpkm这个指标呢？因为蛋白质丰度可以反映出生物体内某种蛋白质的含量，而rpkm则可以让我们更直观地看到不同物种之间的差异。
那么我们现在就开始讲解如何进行rpkm的计算吧。
我们需要收集到每个物种的基因测序数据。
这些数据可以通过一些公开的数据平台获取，比如NCBI、UCSC等。
接下来，我们需要对这些数据进行预处理，包括去除低质量的reads、过滤掉一些不需要的功能基因等。
然后，我们就可以开始进行基因注释了。
这一步需要借助一些生物信息学工具，比如BLAST、ClustalW等。
通过这些工具，我们可以将每个物种的基因进行比对，从而得到它们的进化关系和亲缘关系。
接下来，我们就可以开始进行rpkm的计算了。
我们需要将每个物种的基因丰度进行归一化处理，使得它们在同一数量级上进行比较。
然后，我们就可以计算每个物种在宏基因组中的相对丰度了。
这个相对丰度就是每个物种的基因丰度除以整个宏基因组的基因丰度总和。
我们就可以得到每个物种在宏基因组中的相对丰度了。
那么有了rpkm这个指标之后，我们就可以用来研究哪些物种之间存在差异呢？比如说，我们可以比较不同物种在某些功能基因上的丰度差异，从而推测出它们在某些生物学过程中的作用机制。
rpkm还可以用来研究微生物群落的结构和功能，从而帮助我们更好地理解生态系统的运行机制。
宏基因组组装基因组
宏基因组组装基因组
宏基因组组装（Metagenome assembly）是一种从宏基因组数据中重建全部或部分微生物基因组的方法。
宏基因组是指所有微生物的基因组混合物，包括各种不同种类的细菌、病毒和真菌等。
这些微生物在环境中通过群落生态系统相互作用，并参与着多种生命过程。
宏基因组组装的目的是提取每个微生物的基因序列，以便进行物种分类、基因功能注释和比较基因组学等研究。
它是一项复杂且具有技术挑战的任务，需要处理异质性序列、重复序列、高度变异的序列和多样性菌株等复杂问题。
通常，宏基因组组装可以通过两种主要方法来实现：组合富集法（Metagenomic Assembly by Simulation and Evaluation，MASE）和非组合富集法（de novo Metagenome Assembly）。
组合富集法依赖于对已知菌组的参照组装，并将未知序列与该参考序列相结合。
而非组合富集法则是从头开始组装未由完善参考序列辅助的数据序列。
尽管存在多种挑战，宏基因组组装是一项重要的技术，可以帮助我们深入了解环境中微生物的丰度、物种多样性和它们在环境中扮演的角色。
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本文通过宏蛋白组学方法，揭示了贫 瘠土壤与肥沃土壤中微生物种群的不 同生物学功能： 1. 种群结构趋向一致 2. 贫瘠土壤中基因功能偏向于C源和N 源的固定 3. 肥沃土壤基因功能偏向于对腐殖质 的分解利用
作者认为宏蛋白组学能够有效 的揭示不同环境下土壤微生物 群落功能的异质性，不同的生 化趋势，不同的生物地理特征
本文作者追踪研究了执行不同海 域任务军舰的壳体水线的生物膜 中的微生物群落物种丰度及功能 特性，阐述了微生物群落在不同 的物理、化学、地理和季节因素 下的变化和特性； 研究方式整合了宏基因组分析和 宏蛋白组分析的研究方案，为 meta-omics研究模式提供了很好 的范例。
宏蛋白组的研究现状
作者运用宏蛋白组学手段对海洋水 体浮游微生物的主体成分，主要功 能类型进行分析 在富营养体系中，单碳化合物是其 主要的生物地球化学特征。
宏蛋白组研究
在后基因组时代，微生物群落分析的一个主要的挑战就是阐述宏基因组的功能，并把微生物群落遗传结 构和它们的功能多样性联系起来。 • • • 前面所述的宏基因组学受测序条件以及基因组本身的性质所限，阐述群落功能的能力不足； 通过16s/18s/ITS的环境微生物多样性分析方式无法直接揭示功能及相互作用； 微生物群落功能也能通过转录组学(Metranscriptome)的方法研究，即提取环境样品中的所有微生物
环境微生物群落多样性分析
• 环境微生物群落多样性分析，
– 利用高通量测序平台，对核糖体RNA高变区域，比如16S/18S/ITS等序列；或直系 同源的功能基因，比如细菌和古菌的氨氧化酶基因进行测序。从而揭示研究对象 环境中的微生物群落的物种组成、相对丰度、群落类型以及进化关系，是宏基因 组测序的有效补充。
宏蛋白组研究的意义
自然界的微生物群落是极其复杂的动态系统，在后基因组时代，基于核酸分析的方法(诸如 Metagenome)不能够揭示微生物群落的原位功能。大规模研究生境在中微生物表达蛋白 (Metaproteome)能提供微生物在生态系统中的功能信息，它有望把微生物群落的遗传和功 能多样性联系起来，更具体地说，对于不同环境的Metaproteomics的分析：
Metaproteomics
Metametabolomics
宏基因组（Metagenomics)
• • 以各种环境样品中的微生物群体基因组为研究对象， 包含了可培养的和未可培养的微生 物的基因，目前主要指环境样品中的细菌和真菌的基因组总和。 以揭示微生物多样性、 种群结构、 进化关系、 功能活性、 相互协作关系及与环境之间 的关系
高通量测序加速宏基因组
于高通量测序的宏基因组研究无需构建克隆，这避免了构建过程中利 用宿主菌对样品进行克隆而引起的系统偏差，简化了实验操作，提高了测序效 率，从而极大地促进了宏基因组学的发展。 对于环境中大量非培养的样本直接进行测序，避免许 多无法微生物株系难以纯化培养用于鉴定的弊端
狭义宏基因组测序
• 宏基因组测序 － 即利用测序技术对环境样品中全部微生物的基因组进行测定，以 分析微生物群体的基因组成及功能，解读微生物群体的多样性和 丰度，探索微生物与环境及宿主之间的关系
•
•
现有的高通量测序技术平台在 高覆盖率、长读长和读序精度 上的矛盾，限制了宏基因组测 序在微生物群体基因组成、多 样性分析方面的能力； 且在物种分类菲、丰度以及进 化关系方面的能力不足
宏蛋白组的研究现状
通过宏蛋白组学揭 示冬季和夏季南极 半岛海岸表面水体 中浮游微生物的种 群区别、功能差异 ，尤其是代谢方式 差异
A metaproteomic assessment of winter and summer bacterioplankton from Antarctic Peninsula coastal surface waters Timothy J Williams et al. 2012 The ISME Journal (2012) 6, 1883–1900
的RNA。然而，由于RNA的半衰期较短，在抽提过程中难以去除腐殖质，相似基因在不同群体中有
不同的转录动态，RNA和蛋白质的低相关性，这些阻碍了Metranscriptome在微生物群落研究中的应 用。 正是这些限制，才使蛋白质组学的方法逐步在微生物群落研究中开始得到应用。 环境蛋白质组学(Metaproteomics)最初由Wilmes和Bond 命名，指大规模鉴定给定时间和地点的环境样品 的整个蛋白组分。基本程序包括：环境中总蛋白的提取、通过一维或二维凝胶电泳或HPLC对蛋白进行分 离、质谱分析、数据统计分析将群落遗传结构与功能结构联系起来，同时也可鉴定蛋白进行反向遗传学 研究。
Environmental proteomics of microbial plankton in a highly productive coastal upwelling system Sarah M Sowell et al.2011 The ISME Journal (2011) 5, 856–865
(1)可以捕捉新的功能基因和代谢途径； (2)鉴定与特异胁迫有关的蛋白。蛋白质组学联合宏基因组数据可以更好地揭示环境群落分类多样 性、功能多样性和生物过程。
目前成熟的蛋白组研究手段为宏蛋白组研究提供了可靠的工具 • • • • 2DGE-LC-MS 2DLC-MS Itraq Labelfree
宏蛋白组的研究现状
宏蛋白组的研究现状
Integrated metagenomic and metaproteomic analyses of marine biofilm communities Dagmar H. Leary et al 2015 Biofouling, 2014 Vol. 30, No. 10, 1211–1223
环境微生物群落多样性分析测序区域
环境微生物群落多样性分析测序
稀 释 性 曲 线
Shannon
Rank Abundance
物 种 累 曲 线
环境微生物群落多样性分析测序
环境微生物群落多样性分析测序
环境微生物群落多样性分析测序
环境微生物群落多样性分析测序的研究特性 • 有效的对微生物群落进行分类，物种组成以及进 化关系的分析。 • 揭示不同环境下微生物群落的组成差异 • 不适用于研究微生物种群的生化特性、功能特性 ，基因组成，与环境或宿主的相互作用。 • 无法解释不同环境胁迫下微生物种群的功能特性 变化。
• 无需培养分离菌群：
直接从环境样本中扩增核糖体rDNA高变区进行测序，解决了 大部分菌株不可培养的难题。
ห้องสมุดไป่ตู้
• 客观还原菌群结构：
专业、成熟、稳定的样本制备流程，严格控制PCR循环数， 客观还原样品本身的菌群结构及丰度比例。
• 痕量菌检测：
充分发挥高通量测序的大数据量优势，能检测出丰度低至万 分之一的痕量菌。
Metaproteomics of soils from semiarid environment: Functional and phylogenetic information obtained with different protein extraction methods F. Bastida et al.2014 Journal of Proteomics 1 0 1 ( 2 0 1 4 ) 3 1 – 4 2
从宏基因组到宏蛋白组
邦菲生物技术部
前言
Systems Biology
Function
Gene
mRNA
protein
metabolites
-omics
Genomics
Transcriptomics
Proteomics
Metabolomics
Meta-
Metagenomics
Metatranscriptomics