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微生物群落研究趋势|MAG分析锦上添花

花匠小妙招
2025-01-02 05:07

微生物的群落动态往往与表观现象存在潜在联系，宏基因组分析可以识别到一些关键的物种和功能，然而基于标准分析很难对这些物种或功能进行深入研究，宏基因组Binning可以获得环境中的微生物基因组（MAG），很好地解决了标准分析无法进行深入研究的问题。那么该如何基于宏基因组标准分析补充Binning进行深入挖掘呢？

补充Binning分析的应用

由于数据库的局限性和微生物水平基因转移（HGT）的高发性，通过Gene挖掘对应的物种-功能关系不能得到完全的描述，因此通过Binning分析验证物种-功能关系、挖掘特定物种的功能信息十分必要。

补充Binning分析可以从很多方面进行深入的分析，这里给出3个最常见的应用点：

应用1：研究目标物种的潜在功能

在进行标准分析后，对研究样本中的微生物群落有了大致了解，过差异分析、网络分析、环境因子相关性分析或直接的丰度比较，找到丰度较高的某一物种作为目标物种。有了关注的目标物种属或者科后，可以通过Binning尝试重构找出目标属或者科的MAGs，进而深入挖掘目标物种的潜在功能信息。

图1 研究目标物种的潜在功能分析思路

这些潜在功能可以是具体某一类，如图2应用案例中，通过差异分析挖掘的显著差异KO作为关注的潜在功能；也可以是特定的代谢功能，如KEGG特定Pathway的结果；或者是某些特定的功能基因，如ARG基因、VF基因、QS基因等，通过MAGs信息挖掘确定的物种-功能关系可作为一种证明微生物潜在功能的方式。

图2 研究目标物种潜的功能实际应用（Zhang et al, 2022）

此外，也可以将目标物种的基因组进一步与其参考或近缘物种基因组进行比较基因组和进化分析，观察研究的环境对该目标物种功能与进化关系的影响。

应用2：挖掘参与特定代谢通路的菌群

微生物在生态环境中扮演分解者的角色，对生物地球化学循环有着重要作用，挖掘能够执行特定代谢功能的微生物对生产生活都有着重要意义。宏基因组标准分析可以查看群落中是否有能够完整执行某一特定通路的全部功能基因，补充Binning分析可以进一步确定哪些物种执行了特定的代谢功能，进而进一步确定特定的代谢通路是由特定菌群执行还是多个菌群共同完成。

图3 挖掘参与特定代谢通路的菌群分析思路

这些代谢通路可以是与元素循环相关的代谢通路，也可以像图4应用案例一样，是某些特定化合物的降解通路，这些特定代谢通路的研究对拓展我们对微生物生态功能的认识以及整个生物地球化学循环的认识有重要意义。

图4 挖掘参与特定代谢通路的菌群实际应用（Huang et al, 2023）

应用3：确定抗性基因的携带与传播能力

抗性基因的传播会带来潜在的健康隐患，一直以来都是人们关注的问题。抗性基因发生转移的概率极大，无法通过基因注释确定其物种归属与潜在的传播风险。宏基因组标准分析可以挖掘ARGs的组成与丰度情况，通过物种丰度与ARG丰度相关性分析可以识别与ARG强相关的物种，进一步使用Binning分析组装出相对完整的细菌基因组后，可以从基因组的角度确定抗性基因是否归属于该物种验证相关性分析的结果。

图5 确定抗性基因的携带与传播能力分析思路

除了抗性基因的定位之外，补充对MAGs的PHI、VFDB数据库注释，确定其潜在的致病性与毒力因子携带能力，还可以对这些微生物的危害进行进一步的判断。

图6 MAGs与ARGs、VFs携带关系展示（Zhu et al, 2023）

验证归属后，进一步可以对携带ARGs的MAGs进行MGE注释，观察可移动遗传元件与ARGs在序列上的关系从而确定物种的ARGs是否有潜在的转移能力，探索该物种是否对ARGs有传播和转移能力。

图7 MGE分析ARG的转移能力（Han et al, 2022）

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