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宏基因组测序

目    录
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背景简介

宏基因组测序(Metagenomics Sequencing)是对环境样品中的微生物群落的基因组进行高通量测序,主要研究微生物种群结构、基因功能活性、微生物之间的相互协作关系以及微生物与环境之间的关系。宏基因组测序研究摆脱了微生物分离纯培养的限制,扩展了微生物资源的利用空间,为环境微生物群落的研究提供了有效工具。

技术优势

直接对特定环境中全部微生物群体基因组进行测序。
环境微生物通常以群落方式共存和互作,宏基因组研究比单个个体研究更能反映微生物的真实生存状态。
除分析微生物群体多样性和丰度外,还可以解析微生物基因功能和参与的代谢通路,发掘新的具有特定功能的基因。

技术路线

分析内容

样本类型

环境样品,总DNA等
建议总DNA起始量:5 μg,最低0.5 μg,浓度≥30 ng/μL(Qubit定量)

Q1:微生物群落研究方法比较?
A:16S rDNA测序:由于研究对象只为细菌的16S rDNA,因此16S测序技术更多只用于研究群落物种信息,也就是利用OTU物种分类、α和β多样性分析等手段解答群落有什么物种,物种关系是什么等问题。因此,这种技术更多地只能了解到环境对微生物的组成有何影响,更偏向于单向关系研究。
宏基因组测序:宏基因组的研究对象为群落所有DNA,因此研究范围更广。理论上不单只可以了解群落的组成和多样性等物种信息,同时,利用基因的注释信息,还可以挖掘群落的核心功能和通路信息,在基因组层面了解这个群落到底有什么物种,这些物种能够发挥什么功能。只有了解群落功能,才能知道它们对环境有什么影响,这有利于进行微生物与环境的双向研究。

Q2:宏基因组测序原理?
A:将基因组DNA随机打断成若干条500bp左右的小片段(类似于拼图中的单个形状不一的模块),然后连接接头,在片段两端加通用引物进行PCR扩增测序。将reads进行组装拼接(类似于将众多模块拼成一副完整图片),得到基因序列,众多基因构成完整的基因集。同时将获得的reads片段或组装好的基因序列与NCBI数据库进行比对,得到物种注释结果。
Q3:土壤样本准备注意事项?
A:取土壤表层样品(0~20 cm ),除去石块和植物残根等杂物,放入无菌封口袋中,立即置于冰盒 (建议使用干冰,以利更好地保持微生物原貌)中运回实验室 ,马上进行 DNA抽提。DNA 可置于 -20 ℃保存,长期保存建议置于 -80℃存放。 如无法进行DNA抽提,请尽快将样本置于液氮中冷冻4小时以上,再转移至-80℃保存 。
如采集根际土壤,拔取植株后,需抖落植株根部的大块松散土壤,用已消毒的软毛刷下附着在植物根际的土壤,放入无菌封口袋中,立即置于冰盒中运回实验室 ,马上进行DNA抽提。

Q4:水体样品准备注意事项?
A:使用采水器采集水样(建议1~2 L),置于冰盒(建议使用干冰,以利更好地保持微生物原貌)中运回实验室,立即用无菌的0.22 µm醋酸纤维滤膜抽滤水样(若水体浑浊,可使用无菌的大孔膜预滤后再使用 0.22 µm 滤膜;如 1张 0.22 µm滤膜无法收集全部菌体,可使用多张滤膜 ), 取出滤膜后马上进行样品DNA抽提。 DNA可置于-20 ℃保存,长期保存建议置于-80℃存放 。如无法进行DNA抽提,请尽快将样本置于液氮中冷冻 4小时以上,再转移至-80℃保存 。

Q5:粪便样本准备注意事项?
A:采集新鲜粪便样品并迅速置于无菌离心管中 ,置于冰盒(建议使用干冰,以利更好地(建议使用干冰,以利更好地保持微生物原貌)中运回实验室,马上进行DNA抽提。DNA可置于-20 ℃保存,长期保存建议置于-80℃存放。如无法进行DNA抽提,请尽快将样本置于液氮中冷冻4小时以上,再转移至-80℃保存 。

宏基因组测序研究废水处理过程中淤泥微生物抗性基因及移动元件


本文利用16S、宏基因组等技术研究在升温厌氧消化处理污水的0d-57d天内,淤泥中抗性基因、移动元件以及抗性基因宿主微生物的变化。在0d时,共发现13类抗性基因(Antibiotic Resistance Genes, ARG),其中9种含量都超过1ppm,ARG 总量从125.97ppm(0d)降低至50.65ppm(57d),其中氯霉素抗性基因、多耐药性抗性基因等抗性基因降低多达50%以上。高温处理后,移动元件总量由528.73ppm降低至391.36ppm。
本文研究表明,在消化处理淤泥过程中,随温度升高,会明显降低淤泥中的抗性基因、移动基因组元件以及抗性基因宿主微生物的含量,其中抗性基因的降低可能是与移动元件以及宿主微生物的降低有关,因此高温厌氧消化处理城市废水污泥能够有效的抑制抗性基因扩散到环境中。

参考文献
Tian Z, Zhang Y, Yu B, et al. Changes of resistome, mobilome and potential hosts of antibiotic resistance genes during the transformation of anaerobic digestion from mesophilic to thermophilic.[J]. Water Research, 2016, 98:261.

样品聚类分析通过对样品进行聚类分析,构建聚类树,可以研究不同样品之间的相似性。Bray-Curtis 距离是系统聚类法中使用最普遍的一个距离指标,它主要用来刻画样品间的相近程度,它的大小是进行样品分类的主要依据。根据各物种在各样品中的丰度表出发,以Bray-Curtis距离矩阵进行样品间聚类分 析,并将聚类结果与各样品的物种相对丰度整合进行展示。

KEGG注释根据KEGG注释总表,可以对KEGG注释的总体情况进行Unigene数目的统计.

eggNOG分类统计图eggNOG可以分为四个层次。第一层包括:1.信息存储和加工;2.细胞过程和信号转导; 3.新陈代谢;4.未确定分类。第二层进一步细分成25个分类,每一个分类都可以用一个字母表示。第三层为共同功能描述(Consensus Functional Description)。第四层为具体的直系同源蛋白簇。将Unigenes与eggNOG库的蛋白序列进行比对(blastp,evalue≤1e-5),取分值最高的eggNOG比对结果序列(Hits)的注释作为该Unigene序列的注释。结合eggNOG数据库的层次结构,可以统计出eggNOG各个层级或水平的信息。


 CAZy柱状图CAZy是一个特殊的数据库,致力于分析碳水化合物活性酶的基因组,结构和生 信息等。CAZy 数据库主要涵盖 6 大功能类:糖苷水解酶,糖基转移酶,多糖裂合酶,碳水化合物酯酶,辅助氧化还 原酶和碳水化合物结合模块。6个功能大类又可以进一步分成各功能小类,整个数据库具有明显的两个层次的结构。在过去的几年里,CAZy分类家族不 断扩展,为基因组和宏基因组的分析提供更完备的数据。

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