宏基因組也稱微生物環(huán)境基因組。即環(huán)境中全部微小生物遺傳物質的總和。它包含了可培養(yǎng)的和未可培養(yǎng)的微生物的基因。宏基因組 de novo 測序利用測序技術對環(huán)境樣品中全部微生物的基因組進行測定，經過序列組裝和基因注釋，用以解讀微生物群體的基因組成及功能，解析微生物群體的多樣性和豐度，探索微生物與環(huán)境或宿主之間的關系，挖掘新的具有特定功能的基因等。

宏基因組 de novo 測序流程圖

　　分析內容

　　1. 原始數(shù)據除雜及質量評估

　　2. 物種的組成和豐都

　　3. 稀釋曲線

　　4. 不同樣品物種組成分析

　　5. 不同樣品 COG 功能分布比較分析

　　6. 富集分析

　　7. KEEG pathway 的組成分析

　　8. 根據客戶需求進行個性化分析

　　樣品信息

　　1. 樣品類型：DNA；

　　2. 樣品濃度：≥ 20 ng/μL，樣品質量要求 OD 260/280 應在 1.8 到 2.0 之間；

　　3. 電泳檢測無明顯 RNA 條帶，基因組條帶清晰、完整；

　　4. 樣品保存期間切忌反復凍融，送樣時請使用冰袋或干冰運輸。

地域性和個體差異性塑造了人類皮膚宏基因組學的功能

　　目標 (Goal)

　　研究皮膚微生物的生理地理特征。

　　背景 (Background)

　　人類皮膚表面由許多環(huán)境微生物組成，這些微生物環(huán)境有不同的pH 值、溫度、濕度、油脂含量和皮膚形態(tài)。而這些位置特意的生理特性會影響居住在上面的細菌，真菌以及病毒。反過來，微生物的感知和信號機理，代謝途徑，以及免疫特性也可能促進位置特異性。此外，不同個體之間微生物群落組成和功能上也有很大差異。所以作者們通過整合大量存在個體差異的不同皮膚位置上的宏基因組，研究復雜的皮膚微生物的生物地理特性。

　　結果 (Results)

　　該研究選擇了15 個健康的成人 (9 個男性，6 個女性) 和 18 個身體位點進行采樣，總共采了 263 個樣本。對宏基因組測序得到的 reads 分別進行基于 Reference 的微生物群落成分和功能分類;基于 Reference 的菌株分析;不依靠 Reference 的自適應的迭代策略進行 de novo 的組裝，構建了新的皮膚基因的目錄。研究發(fā)現(xiàn)人體皮膚上是由豐富的細菌和非細菌的，其中非細菌主要是真菌和病毒，而且真菌病毒具有明顯的位置特異性。比如真菌在外耳道，眉間，耳后溝比較富集，但在腳后跟，腳趾尖處則豐度較低。病毒則在鼻孔和鼻翼溝比較多。其次，不同位置上都是細菌占主導地位，細菌和病毒的含量基本上比較低。此外，作者將皮膚上的微生物與身體其他部位微生物的豐度進行了比較。此外，還發(fā)現(xiàn)真菌很少出現(xiàn)在非皮膚的位置上。微生物的耐抗生素性越來越受到關注，所以作者還研究了皮膚微生物中的耐抗生素基因。就耐抗生素的基因而言，同時具有位置和個體特異性。

　　意義 (Significance)

　　該研究提出了一個系統(tǒng)的，多位置的人體皮膚宏基因組學研究方法，其中 Reference-free 方法具有更為廣闊的應用前景。文章從醫(yī)學角度得出的許多結論，具有重要的治療意義。

　　原文: Oh, J. et al. Biogeography and individuality shape function in the human skin metagenome. Nature, 514:59-64(2014).

永凍層溶解過程中土壤微生物的多組學研究

　　目標 (Goal)

　　揭示微生物在完整的永凍層中的活動。

　　背景 (Background)

　　永凍層指的是持續(xù)三年或三年以上的凍結不融的土層。地球的陸地表面超過20% 的面積是被永凍層覆蓋，而這部分永凍層儲存著大量的碳元素，一旦溶解，可能會引起碳元素由生物圈釋放到大氣層中。永凍層的這個溶解過程很大程度上會依賴于微生物的活動。可是我們對微生物在完整的永凍層中的活動尚不清楚。這篇文章是將16S，宏基因組學，宏轉錄組學，宏蛋白質組學結合起來，研究三種土壤狀態(tài)中的微生物群落的組成和功能。這里的多組學分別是：對16S進行測序是為了確定微生物群落的組成;宏基因組測序是為了確定系統(tǒng)發(fā)育和功能基因;宏轉錄組學測序是為了確定哪些基因表達了;基于質譜檢測的宏蛋白質組學則是為了確定產生了哪些蛋白質。

　　結果 (Results)

　　首先，在門的水平上，對三種組學在三種土壤中得到的結果進行了比較。發(fā)現(xiàn)在永凍層土壤中，通過三種方法檢測到的都是Proteobacteria, Actinobacteria 和 Chloroflexi 三種微生物門是最豐富的。就微生物種類的豐度來說在三種組學中得到的分布具有一致性。通過對 MT 與 MG 得到的結果的比較，我們可以解釋許多參與生化循環(huán)的基因。這里用 MT/MG 表征基因的活性，我們可以熱熔洼地中 Methanogenesis (產甲烷有關的基因) 的 MT/MG ，據此推測在熱熔洼地中甲烷產生率。由宏基因組得到的功能轉錄組的分布發(fā)現(xiàn)，熱熔洼地和活動層有很多共同的轉錄本，而且主要是 transporters。而且相對于三種土壤共同擁有的轉錄本和蛋白質來說，三種土壤擁有更多的相同基因。由此可以推測，在冰凍土壤融化的三個階段，微生物的組成實際上變化不是很大，但行使功能或者說具有活性的微生物差別是很大的。

　　意義 (Significance)

　　利用多組學的方法揭示了微生物在完整的永凍層中的活動，為控制全球氣候變暖提供了理論支撐。

　　原文: Hultman, J. et al. Multi-omics of permafrost, active layer and thermokarst bog soil microbiomes. Nature, 521: 208-212(2015).

宏基因組學分析深海熱液羽流中的微生物功能

　　目標 (Goal)

　　探索深海熱液羽流中的微生物的作用機制。

　　背景 (Background)

　　深海熱液羽流發(fā)生在各地海洋的中洋脊和后弧盆，深海熱液口被認為是地球深部的窗口, 海水下滲到海底以下兩、三千米和高溫巖漿相互作用。熱液流體中攜帶有大量還原性的物質 (氫氣、硫化物、金屬離子) 與周圍氧化的冰冷的海水 (2-4℃) 相互混合, 形成幾百米到幾千米的熱液羽流。熱液口附近形成巨大的溫度和化學梯度, 為微生物的生長提供了充足的能源和營養(yǎng)元素。深海熱液羽狀流中的微生物過程影響全球海洋的生物地球化學。

　　結果 (Results)

　　研究者通過宏基因組學和生物能量模型來描述深海熱液羽狀流中微生物的豐度和遺傳潛力。研究中通過對測序數(shù)據進行Binning 發(fā)現(xiàn)了 331 個不同的基因組“箱”，包括古細菌、細菌、真核生物和病毒的大約 951 個基因組。宏全基因組分析可知在微生物群落中硫氧化是超為豐富多樣的化能自養(yǎng)的微生物代謝。硫氧化的基因通常存在于包含氫和甲烷氧化的基因的基因組箱中，表明這些微生物組中的代謝多樣性。生物能量熱力學模型支持宏基因組分析，表明元素硫與氧的氧化是水熱羽流中主要的分解代謝反應。

　　意義 (Significance)

　　通過研究深海熱液羽流中的微生物功能，闡明了熱液羽狀流中的微生物作用機制，尤其為今后研究全球海洋的生物地球化學過程提供了大量的基因組數(shù)據。

　　原文: Anantharaman, K. et al. Metagenomic resolution of microbial functions in deep-sea hydrothermal plumes across the Eastern Lau Spreading Center. The ISME journal, 10: 225-239(2016).

　　1. 宏基因組測序樣品總 DNA 的提取及基因或基因組 DNA 的富集注意事項

　　提取的樣品 DNA 必須可以代表特定環(huán)境中微生物的種類，除需嚴格遵循取樣規(guī)則外，取樣中應盡量避免對樣本的干擾，縮短保存和運輸?shù)臅r間，使樣品盡可能代表自然狀態(tài)下的微生物原貌，獲得高質量環(huán)境樣品中的總 DNA 是宏基因組文庫構建的關鍵之一。要采用合適的方法，既要盡可能地完全抽提出環(huán)境樣品中的 DNA，又要保持較大的片段以獲得完整的目的基因或基因簇。應嚴格操作，謹防污染，并且保持 DNA 片段的完整和純度。為了更好地反映環(huán)境中的微生物種群并且提高陽性克隆的占有率，需要在克隆之前通過不同的方法對感興趣的目的基因或基因組進行富集，常用的富集方法有穩(wěn)定同位素探針、抑制性消減雜交、差異顯示、噬菌體展示、親和捕獲及 DNA 微陣列等技術。

　　2. 針對 16S rDNA 測序和宏基因組 de novo 測序有什么不同

　　16S rDNA 測序是針對細菌核糖體小亞基的特定高變區(qū)進行 PCR 擴增，反映物種的進化關系及群落多樣性。宏基因組 de novo測序測定整個環(huán)境中所有微生物的基因組。在數(shù)據分析上又可以分為基因集分析和基因組組裝?；蚣治隹梢赃M行功能分析 GO pathway;基因組組裝可以獲得新的，甚至是不可純培養(yǎng)的微生物基因組序列。