《細(xì)菌多樣性分析》課件

細(xì)菌多樣性分析探索微觀世界的多樣性基于最新研究方法剖析復(fù)雜菌群生態(tài)系統(tǒng)細(xì)菌多樣性概述生物多樣性支柱細(xì)菌占地球生物量30%支撐全球生態(tài)系統(tǒng)功能生態(tài)功能物質(zhì)循環(huán)核心參與者碳氮循環(huán)驅(qū)動(dòng)力細(xì)菌的分布1深海極端壓力環(huán)境下獨(dú)特群落2土壤每克含數(shù)十億細(xì)菌3極地耐寒菌種適應(yīng)極端溫度4熱泉嗜熱菌生存于沸水溫度多樣性與演化意義演化動(dòng)力基因水平轉(zhuǎn)移促進(jìn)快速適應(yīng)生態(tài)平衡維持生態(tài)系統(tǒng)功能穩(wěn)定性3基因庫提供豐富遺傳資源與代謝潛力細(xì)菌結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)細(xì)胞壁保護(hù)與細(xì)胞形態(tài)維持細(xì)胞膜選擇性物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)核質(zhì)區(qū)無核膜包被的DNA莢膜防御與黏附功能細(xì)菌生命周期延滯期適應(yīng)環(huán)境準(zhǔn)備分裂1對(duì)數(shù)期快速分裂增殖2平穩(wěn)期資源限制增長平衡3死亡期營養(yǎng)耗盡死亡加速4細(xì)菌與其他微生物的區(qū)別特征細(xì)菌真菌病毒細(xì)胞結(jié)構(gòu)原核細(xì)胞真核細(xì)胞非細(xì)胞結(jié)構(gòu)大小0.2-10μm2-100μm20-400nm繁殖方式二分裂孢子/出芽寄生復(fù)制細(xì)菌多樣性的研究價(jià)值醫(yī)療健康抗生素開發(fā)微生物療法工業(yè)應(yīng)用生物降解發(fā)酵生產(chǎn)環(huán)境保護(hù)污染修復(fù)生態(tài)恢復(fù)細(xì)菌的分類系統(tǒng)回顧1三域系統(tǒng)細(xì)菌、古菌、真核生物2主要細(xì)菌門30多個(gè)已知門類3生物信息學(xué)分類基于全基因組比較傳統(tǒng)分類方法形態(tài)學(xué)特征球菌、桿菌、螺旋菌細(xì)胞大小與排列方式染色技術(shù)革蘭氏陽性與陰性抗酸染色生理生化產(chǎn)酸產(chǎn)氣試驗(yàn)碳源利用譜分子生物學(xué)分類方法16SrRNA測(cè)序高度保守區(qū)與可變區(qū)結(jié)合DNA-DNA雜交種間相似性精確度量全基因組比對(duì)核心基因與泛基因組分析系統(tǒng)發(fā)育樹構(gòu)建序列比對(duì)多序列比對(duì)確定同源位點(diǎn)距離計(jì)算序列差異轉(zhuǎn)化為演化距離樹構(gòu)建算法NJ、ML、貝葉斯方法樹評(píng)估自展支持率驗(yàn)證穩(wěn)定性主要細(xì)菌門及代表變形菌門最為多樣占已知種類的40%厚壁菌門包含乳酸菌與芽孢桿菌細(xì)菌命名規(guī)則2命名法詞屬名與種加詞組成1891命名法起源命名規(guī)則確立年份15000+已命名物種正式命名的細(xì)菌種數(shù)系統(tǒng)發(fā)育與分類的關(guān)系進(jìn)化樹構(gòu)建反映真實(shí)演化歷史水平基因轉(zhuǎn)移打破傳統(tǒng)分類框架分子鐘校準(zhǔn)時(shí)間尺度上的演化節(jié)點(diǎn)新型分類技術(shù)發(fā)展核基因測(cè)序全基因組測(cè)序細(xì)菌多樣性分析總體流程樣品采集與保存無污染采樣技術(shù)DNA提取與質(zhì)控高效純化去除抑制物目標(biāo)區(qū)域擴(kuò)增或建庫16S或宏基因組文庫高通量測(cè)序二代或三代測(cè)序平臺(tái)數(shù)據(jù)分析與解讀多樣性指數(shù)與功能注釋樣品采集與保存1無菌采樣避免外源污染2適量取樣土壤5-10g水樣1-2L3速凍保存-80℃長期保存4轉(zhuǎn)運(yùn)條件干冰或液氮環(huán)境DNA提取技術(shù)物理破碎法珠磨法高效破壁超聲波振蕩輔助化學(xué)裂解法SDS溶解細(xì)胞膜蛋白酶K消化蛋白純化策略硅膠柱吸附磁珠法高通量處理PCR擴(kuò)增與引物設(shè)計(jì)靶區(qū)選擇V3-V4區(qū)分辨率高1引物設(shè)計(jì)保守區(qū)錨定降低偏向性2擴(kuò)增優(yōu)化溫度梯度提高特異性3產(chǎn)物驗(yàn)證凝膠電泳確認(rèn)大小4高通量測(cè)序平臺(tái)概述平臺(tái)讀長準(zhǔn)確率通量Illumina50-300bp99.9%超高PacBio10-30kb99%中等Nanopore1kb-2Mb95-98%高宏基因組測(cè)序全DNA測(cè)序無PCR偏好功能基因獲取代謝潛力解析物種全譜包含未知細(xì)菌數(shù)據(jù)量龐大TB級(jí)測(cè)序結(jié)果16SrRNA測(cè)序技術(shù)變異區(qū)擴(kuò)增針對(duì)進(jìn)化變異區(qū)域樣品條形碼多樣本混池測(cè)序序列聚類97%相似度定義OTU擴(kuò)增子測(cè)序分析原始數(shù)據(jù)處理質(zhì)量過濾與雙端合并嵌合體檢測(cè)去除PCR產(chǎn)生的假序列ASV生成單堿基差異精確識(shí)別全基因組測(cè)序（WGS）拼接策略短讀長拼接形成全基因組基因注釋識(shí)別編碼與非編碼區(qū)比較基因組學(xué)鑒定變異與保守區(qū)成本挑戰(zhàn)每樣本數(shù)千元成本分析流程軟件介紹QIIME2可視化流程Python框架Mothur靈活命令行內(nèi)存高效DADA2高精度ASVR語言實(shí)現(xiàn)微生物組生物信息學(xué)流程質(zhì)控過濾低質(zhì)量讀段去噪校正測(cè)序錯(cuò)誤聚類生成OTU或ASV分類物種分類注釋分析多樣性與功能預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)庫選擇SILVA全面原核與真核數(shù)據(jù)手工校正高質(zhì)量Greengenes細(xì)菌古菌專注系統(tǒng)發(fā)育附加信息RDP分類工具集成訓(xùn)練集可定制OTU/ASV聚類與注釋OTU聚類97%相似度人為閾值聚類算法多種選擇ASV精確變體單堿基差異區(qū)分可重復(fù)性高分類注釋貝葉斯分類器置信度閾值篩選α和β多樣性分析Shannon指數(shù)Simpson指數(shù)土壤細(xì)菌多樣性1234變形菌門氮循環(huán)核心放線菌門抗生素產(chǎn)生酸桿菌門腐殖質(zhì)分解厚壁菌門植物根際互作海洋細(xì)菌多樣性原綠球藻全球海洋初級(jí)生產(chǎn)力主力SAR11類群海洋中最豐富細(xì)菌弧菌屬多樣代謝能力適應(yīng)性強(qiáng)極端環(huán)境細(xì)菌多樣性極端環(huán)境細(xì)菌進(jìn)化出特殊適應(yīng)機(jī)制酶和膜結(jié)構(gòu)特異化應(yīng)對(duì)高溫低溫高鹽等條件植物相關(guān)細(xì)菌多樣性根際菌群生活在根部周圍土壤促進(jìn)養(yǎng)分吸收與保護(hù)內(nèi)生菌群定植于植物內(nèi)部組織產(chǎn)生植物激素人體腸道菌群擬桿菌門厚壁菌門變形菌門放線菌門其他皮膚與口腔細(xì)菌多樣性1000+菌種數(shù)常駐口腔細(xì)菌種類200+皮膚菌種平均每個(gè)人皮膚菌種數(shù)3皮膚主要菌屬棒狀桿菌、丙酸桿菌、葡萄球菌病原菌多樣性超級(jí)細(xì)菌多重耐藥性全球擴(kuò)散醫(yī)院獲得性感染特殊病原菌選擇壓力社區(qū)獲得性感染常見病原廣泛傳播微生物多樣性與環(huán)境變化氣候變暖群落組成重塑土地利用變化多樣性顯著降低污染影響耐受種群選擇生態(tài)系統(tǒng)反饋碳庫釋放加速多樣性測(cè)序數(shù)據(jù)的質(zhì)控讀段質(zhì)量過濾Phred分?jǐn)?shù)閾值設(shè)定低復(fù)雜度區(qū)域剔除嵌合體去除參考數(shù)據(jù)庫比對(duì)從頭檢測(cè)算法對(duì)照樣品驗(yàn)證陰性對(duì)照檢測(cè)污染陽性對(duì)照評(píng)估流程統(tǒng)計(jì)與可視化工具R語言生態(tài)ggplot2可視化vegan多樣性分析Python工具包matplotlib繪圖scikit-bio生態(tài)分析統(tǒng)計(jì)方法PERMANOVA差異豐度分析生態(tài)功能分析功能預(yù)測(cè)基于16S推斷代謝潛能基因組注釋識(shí)別功能基因與通路豐度分析關(guān)鍵功能模塊定量環(huán)境關(guān)聯(lián)功能與環(huán)境因子相關(guān)網(wǎng)絡(luò)分析與關(guān)聯(lián)性研究物種間相互作用揭示生態(tài)位模塊化組織反映功能群落機(jī)器學(xué)習(xí)在細(xì)菌多樣性中的應(yīng)用分類算法健康與疾病狀態(tài)區(qū)分預(yù)測(cè)模型環(huán)境變化響應(yīng)預(yù)測(cè)特征選擇關(guān)鍵微生物標(biāo)志物識(shí)別深度學(xué)習(xí)復(fù)雜模式自動(dòng)提取多組學(xué)整合分析基因組組學(xué)物種與基因功能1轉(zhuǎn)錄組學(xué)基因表達(dá)活性2蛋白質(zhì)組學(xué)功能蛋白定量3代謝組學(xué)代謝產(chǎn)物譜4數(shù)據(jù)共享與資源平臺(tái)平臺(tái)名稱數(shù)據(jù)類型特點(diǎn)MG-RAST宏基因組自動(dòng)分析流程EBIMGnify多組學(xué)數(shù)據(jù)嚴(yán)格元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)NCBISRA原始測(cè)序數(shù)據(jù)全球最大數(shù)據(jù)庫細(xì)菌多樣性研究的意義環(huán)境修復(fù)污染物生物降解健康促進(jìn)益生菌調(diào)節(jié)腸道功能農(nóng)業(yè)可持續(xù)降低化肥農(nóng)藥依賴新興前沿：單細(xì)胞微生物組單細(xì)胞分選微流控芯片分離熒光激活細(xì)胞分選微量DNA擴(kuò)增全基因組擴(kuò)增技術(shù)低模板高保真應(yīng)用前景未培養(yǎng)菌鑒定細(xì)胞間異質(zhì)性多樣性研究的挑戰(zhàn)與未來低豐度物種鑒定占總量不足0.1%但功能關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)化流