准确定量分析环境微生物群落丰度及其组成的研究

基本信息
批准号:31800417
项目类别:青年科学基金项目
资助金额:28.00
负责人:吴波
学科分类:
依托单位:中山大学
批准年份:2018
结题年份:2021
起止时间:2019-01-01 - 2021-12-31
项目状态: 已结题
项目参与者:张兵,杨雪琴,邓婷,张可可
关键词:
群落演替分类标记基因单拷贝基因拷贝数群落结构
结项摘要

Advances in high-throughput sequencing technology have led to the rapid development of microbial ecology. PCR-based phylogenetic analysis targeting marker genes, such as the ribosomal RNA (rRNA), is fundamental to ecology study, providing essential information for the understanding of microbial community composition and structure. A major issue with the use of molecular rRNA as a measure of microbial abundance is that many microbes have multiple copies of the genes in their genome. Thus, variation in rRNA gene abundance can be caused by variations in both the abundance of microbes and the genomic copy numbers. Such inevitable error hinders accurate measurements of community composition, structure, microbe-microbe and microbe-environmental factors interactions. In our preliminary study, we focused on phylogenetic marker gene and single copy functional gene sequencing to understand the phylogenetic diversity and functional diversity of microbial communities in different environments, and explore the underlying mechanisms. This proposal seeks to remedy that problem by adjusting the phylogenetic marker gene copy number (16S rRNA and ITS) using single copy genes (gyrB and RPB1) in the genome using our sequencing and data analysis platform. Upon parallel amplification and sequencing of these genes, the exact copy number of 16S rRNA and ITS genes will be estimated by comparing their abundance with those of gyrB and RPB1 genes. The effectiveness of the proposed approach will be verified using mock microbial community; and further used to estimate community dynamics along the restoration of an abandoned mine more accurately. The proposed approach will provide theoretical framework and scientific basis for the joint analysis of different phylogenetic marker genes for accurate measurement of microbial community diversity.

基于分类标记rRNA基因进行PCR扩增和高通量测序是研究微生物群落丰度及组成的主要方法,也是微生物生态学研究的基础。然而传统分类基因在微生物物种间的拷贝数差异对准确定量微生物群落组成造成不可避免的误差,而降低其结构组成及微生物生态相关机理分析的可靠性。我们前期从事传统分类基因和单拷贝功能基因扩增子测序,阐明环境中物种多样性和功能多样性及相关机理。本课题基于分类基因(16S rRNA基因、ITS)测序成熟技术和单拷贝基因(gyrB、RPB1)测序的准确性,以前期实验分析平台为基础,拟使用人工合成微生物菌群为研究对象,结合传统分类基因和单拷贝基因测序及生物量定量的方法准确分析微生物群落丰度与组成,阐明rRNA拷贝数差异性对测序的影响;并将该方法应用于环境样品,准确阐述微生物群落在自然修复过程中的演替及机制。本项目的开展将为联合多种分类标记基因准确分析环境微生物群落丰度和组成提供理论参考。

项目摘要

微生物种类多、分布广且功能强,阐明微生物在各个环境中相互作用、动态演替、与环境因素和生态功能的关系及潜在机制一直是微生物生态领域的研究热点,而二代及三代高通量测序技术的出现大大的推动了微生物生态学研究的发展。上述研究均以环境中微生物群落的丰度与组成为基础,对分类标记基因如16s rDNA、18s rDNA等扩增子进行测序是主要的手段。然而这些分类标记基因在微生物基因组上往往有多个拷贝;且不同物种间,同一物种在不同生长时期、不同环境,其拷贝数都存在差异。因此,准确定量环境中不同种微生物的绝对丰度至关重要。本研究关注微生物标记基因拷贝数差异,通过高通量测序及大数据分析手段,阐明绝对丰度对于自然环境中微生物多样性分析的影响。具体的研究内容如下: 1)原核微生物的人工合成群落构建;2)原核微生物的系统发育标记基因测序分析;3)模式真核微生物的拷贝数计算;4)真核微生物绝对丰度对自然系统中其地理分布机理的影响。实验结果表明,对于原核微生物群落,联合16s rRNA V3+V4区及全长测序方法能够较为准确的定量物种丰度。而真核微生物的标记基因18s rDNA的拷贝数的变化大,会因互作方式、生长时期及同属不同种而影响。进一步对自然环境中的真核微生物原生生物的多样性进行分析,阐明了相对丰度及绝对丰度会微生物的地理分布规律影响,强调了在进行微生物群落多样性分析时需考虑拷贝数的重要性。本项目所获结果对于认识标记基因拷贝数对于微生物群落多样性分析的影响有着重要的意义,并对定量自然环境中微生物群落的绝对丰度及组成有着指示作用。

项目成果
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数据更新时间:2023-05-31

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