在最近發(fā)表在PLOSONE雜志上的一項研究中，來自日本的研究人員將基于微生物群蛋白質(zhì)組學數(shù)據(jù)的系統(tǒng)發(fā)育樹與環(huán)境因素的樹狀圖進行了比較，以確定環(huán)境梯度在建立微生物群落中的作用。
溫度、濕度、碳氮含量和pH值等環(huán)境因素在微生物生長中的作用已得到充分研究。確定不斷變化的微生物群落與環(huán)境梯度之間的相關性可以進一步了解主要環(huán)境因素如何影響微生物群落。
隨著過去幾十年測序技術的進步以及更快、更高效的生物信息學工具的發(fā)展，全宏基因組鳥槍法測序等方法可用于鑒定新物種、功能基因和代謝途徑已成為可行。
通過獲取大量的基因組和蛋白質(zhì)組學數(shù)據(jù)以及先進的系統(tǒng)發(fā)育工具，可以詳細檢查微生物物種和群落之間的相似性和關系以及與環(huán)境因素的相關性。
關于研究
本研究開發(fā)了一種基于平均序列相似性(MPASS)的宏基因組系統(tǒng)發(fā)育方法，以比較從全基因組霰彈槍測序中獲得的蛋白質(zhì)組學數(shù)據(jù)。
為了測試MPASS在檢測序列相似性方面的準確性，使用MPASS分析了五種細菌物種(荻膜酸桿菌，脆弱擬桿菌，多形亞硝螺旋體，奇異變形桿菌和Sulfolobusislandicus)的宏基因組數(shù)據(jù)的兩個模擬數(shù)據(jù)集，并用于構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹。觀察了細菌的分枝順序關系和菌種組成。
然后將該方法應用于現(xiàn)有的土壤宏基因組數(shù)據(jù)集，該數(shù)據(jù)集包含來自不同生態(tài)生物群落(如苔原、寒冷沙漠、炎熱沙漠、森林和草原)的16個樣本。MPASS還用于分析水生宏基因組數(shù)據(jù)集，該數(shù)據(jù)集包含來自深海熱液噴口，海洋，湖泊和溫泉的35個樣本。
此外，來自水生宏基因組樹的霧島溫泉的分支被用于一個名為TREEDIST的程序，以定量比較基于宏基因組的系統(tǒng)發(fā)育樹和環(huán)境參數(shù)的樹狀圖。溫泉報告的參數(shù)是濁度、pH值以及有機碳、總氮以及銅、鋅和硫酸根離子的濃度。
此外，還分析了分布在同一譜系的各種宏基因組中的基因和物種數(shù)量以及相似宏基因組之間的共享基因數(shù)量。
結(jié)果
結(jié)果表明，MPASS方法能夠從模擬和實際的土壤和水宏基因組樣本中準確構(gòu)建宏基因組樹，并在數(shù)據(jù)集中正確聚類樣本。
此外，當使用宏基因組樹推斷微生物組轉(zhuǎn)變與環(huán)境因素之間的相關性時，來自熱液噴口和溫泉群的樣品的分支順序與與熱源的距離以及采樣點的溫度升高相關。
使用MPAS方法構(gòu)建的宏基因組樹能夠確定隨著環(huán)境梯度的變化而發(fā)生的微生物組轉(zhuǎn)變。樹木拓撲結(jié)構(gòu)還反映了微生物動態(tài)的功能和分類水平。對于土壤微生物宏基因組數(shù)據(jù)集，系統(tǒng)發(fā)育樹將樣本分為三個簇-熱沙漠，冷沙漠和由草原，森林和苔原組成的綠色生物群落。與以前的研究一致，這些聚類反映了土壤pH值的相似性。
該樹根據(jù)淡水和海水生物群落對水生宏基因組數(shù)據(jù)集的樣本進行聚類。在熱液噴口內(nèi)和周圍發(fā)現(xiàn)了大量的Epsilonprote細菌，例如降低硫的彎曲桿菌，隨著與噴口的距離增加，豐度逐漸減少。在海水簇中，有三個基于地理位置的子簇，以及基于樣本深度的分支的進一步差異。淡水樣本根據(jù)湖泊和溫泉生物群落進行亞聚類。
宏基因組樹與各種環(huán)境因子的樹狀圖相似，包括氧化還原電位、釩離子、硫酸鹽濃度以及總氮、全有機氮、溶解有機氮和顆粒有機氮。在溫泉的高度渾濁或透明區(qū)域分別發(fā)現(xiàn)了好氧，硫代謝的Crenachaeota和厭氧Aquificae。
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