基于16S rRNA扩增子测序结果预测微生物群落功能主题知识讲座市公开课获奖课件

1、PICRUSt (基于16S rRNA扩增子测序结果预测微生物群落功效)第1页第1页准确度和不足内容提纲研究意义基本原理详细办法详细应用第2页第2页研究意义关于微生物种类多样性研究已相称成熟，但是功效多样性研究在微生物研究领域中却是最为微弱环节当前惯用预测功效办法： 宏基因组测序 + KEGG数据库 功效基因微阵列(functional gene arrays，FGAs) Who is where？What they can do? 第3页第3页研究意义16S rRNA + PICRUSt(phylogenetic investigation of communities by reconst

2、ruction of unobserved states)第4页第4页基本原理样品16S rRNA测序结果找亲缘关系最近祖先参考基因 数据库依据该祖先宏基因组预测样品中除16S其它基因片段样品宏基因组参考基因 数据库KEGGCOGs第5页第5页基本原理第6页第6页OTU1 OTU2 OTU3 OTU4 16S rRNA 16S rRNA 1 2 3 4 5 6OTU1 OTU2 OTU3 OTU4 所有基因序列糖酵解基因脱氮基因第7页第7页详细办法16S rRNA 1 2 3 糖酵解基因脱氮基因第8页第8页详细办法第9页第9页详细办法第一步： 输入： OTU进化树 （greengenes数据库

3、）+ 每个OTU16S基因序列 输出： 基因表格 （包括每个OTU所有基因序列； 包括每个OTU功效基因计数）第二步： 输入： OTU丰度表（一个样品中每个OTU丰度值；必须经归一化处理） 输出： 基因表格 （包括整个样品功效基因计数）第三步： 将功效基因与KEGG Orthology 或COGs等数据库结合，预测群落功效 第10页第10页准确度和不足85%-90%第11页第11页准确度和不足在某环境中相同、可供参考微生物基因记载越多，基因库越充足，PICRUSt准确度越高。第12页第12页效果与局限碳水化合物和脂质代谢能量代谢环境信息处理（95%）遗传信息处理（99%）核苷酸和氨基酸代谢第1

4、3页第13页准确度和不足局限 1.它只能对已知微生物已知功效进行功效预测，当前并不能完全代替宏基因组研究。 2.在参考基因库不充足情况下，准确率不高； 3.基因复制、丢失、基因水平转移，都会造成误差；第14页第14页详细应用大部分应用在人体肠道、人体各部位研究： Wu J等人通过PICRUSt预测了吸烟人群和未吸烟人群口腔菌群，发觉共有83个基因功效代谢通路存在明显差别，吸烟大大减少了碳水化合物和能量代谢、异型生物质降解等代谢通路含量有一些环境领域方面研究； 在多环芳烃污染土壤中微生物降解荧蒽代谢网络重建 全尺寸厌氧污泥消化池中微生物代谢功效预测 在芬兰西南部酸性沼泽深度剖面中微生物群落改变第

5、15页第15页详细应用一在多环芳烃污染土壤中微生物降解荧蒽代谢网络重建每个阶段功效基因丰度，进而找到生物标识基因（丰度改变最大基因）阶段日期代谢改变生物标识基因1第1天荧蒽快速降解相关遗传信息处理基因：比如DNA复制、基因转录、细胞运动等2第2到5天荧蒽缓慢降解无3第9到32天已检测不到荧蒽；但据推测，这段时间在降解前期反应中间产物相关代谢基因：比如外源性生物降解、碳水化合物和脂质代谢、氨基酸代谢等（阐明荧蒽降解会连续到第三阶段）第16页第16页详细应用一在多环芳烃污染土壤中微生物降解荧蒽代谢网络重建每个阶段功效基因丰度，进而找到生物标识基因（丰度改变最大基因）哪些菌种功效基因相应荧蒽代谢哪些

6、酶、起多大作用。代谢阶段菌属代谢酶该菌属基因对该酶合成奉献率荧蒽早期降解Mycobacterium（分支杆菌属）环双加氧酶 (K11943) 90%环双加氧酶 (K11944)环裂解双加氧酶(K11945)(K00517)85%Diaphorobacter二氢二醇脱氢酶(K14582)83.6%-88.8%荧蒽后续降解Hyphomicrobium（生丝微菌属）醇脱氢酶(K13954)62.4% in stage 176.8% in stage 3Agrobacterium（土壤杆菌属）邻苯二酚2,3-双加氧酶(K07104)Sphingopyxis反式 - 羟基亚苄基丙酮酸水合酶醛缩酶（K14584）larger than 50%第17页第17页详细应用一在多环芳烃污染土壤中微生物降解荧蒽代谢网络重建每个阶段功效基因丰度，进而找到生物标识基因（丰度改变最大基因）哪些菌种功效基因相应荧蒽代谢哪些酶、起多大作用。结合GC-MS,分析出荧蒽降解代谢网络。第18页第18页详细应用二全尺寸厌氧污泥消化池中微生物代谢功