比较宏基因组数据之间全蛋白编码基因的新方法检测微生物群的环境梯度

在最近发表在PLOSONE杂志上的一项研究中，来自日本的研究人员将基于微生物群蛋白质组学数据的系统发育树与环境因素的树状图进行了比较，以确定环境梯度在建立微生物群落中的作用。

温度、湿度、碳氮含量和pH值等环境因素在微生物生长中的作用已得到充分研究。确定不断变化的微生物群落与环境梯度之间的相关性可以进一步了解主要环境因素如何影响微生物群落。

随着过去几十年测序技术的进步以及更快、更高效的生物信息学工具的发展，全宏基因组鸟枪法测序等方法可用于鉴定新物种、功能基因和代谢途径已成为可行。

通过获取大量的基因组和蛋白质组学数据以及先进的系统发育工具，可以详细检查微生物物种和群落之间的相似性和关系以及与环境因素的相关性。

关于研究

本研究开发了一种基于平均序列相似性(MPASS)的宏基因组系统发育方法，以比较从全基因组霰弹枪测序中获得的蛋白质组学数据。

为了测试MPASS在检测序列相似性方面的准确性，使用MPASS分析了五种细菌物种(荻膜酸杆菌，脆弱拟杆菌，多形亚硝螺旋体，奇异变形杆菌和Sulfolobusislandicus)的宏基因组数据的两个模拟数据集，并用于构建系统发育树。观察了细菌的分枝顺序关系和菌种组成。

然后将该方法应用于现有的土壤宏基因组数据集，该数据集包含来自不同生态生物群落(如苔原、寒冷沙漠、炎热沙漠、森林和草原)的16个样本。MPASS还用于分析水生宏基因组数据集，该数据集包含来自深海热液喷口，海洋，湖泊和温泉的35个样本。

此外，来自水生宏基因组树的雾岛温泉的分支被用于一个名为TREEDIST的程序，以定量比较基于宏基因组的系统发育树和环境参数的树状图。温泉报告的参数是浊度、pH值以及有机碳、总氮以及铜、锌和硫酸根离子的浓度。

此外，还分析了分布在同一谱系的各种宏基因组中的基因和物种数量以及相似宏基因组之间的共享基因数量。

结果

结果表明，MPASS方法能够从模拟和实际的土壤和水宏基因组样本中准确构建宏基因组树，并在数据集中正确聚类样本。

此外，当使用宏基因组树推断微生物组转变与环境因素之间的相关性时，来自热液喷口和温泉群的样品的分支顺序与与热源的距离以及采样点的温度升高相关。

使用MPAS方法构建的宏基因组树能够确定随着环境梯度的变化而发生的微生物组转变。树木拓扑结构还反映了微生物动态的功能和分类水平。对于土壤微生物宏基因组数据集，系统发育树将样本分为三个簇-热沙漠，冷沙漠和由草原，森林和苔原组成的绿色生物群落。与以前的研究一致，这些聚类反映了土壤pH值的相似性。

该树根据淡水和海水生物群落对水生宏基因组数据集的样本进行聚类。在热液喷口内和周围发现了大量的Epsilonprote细菌，例如降低硫的弯曲杆菌，随着与喷口的距离增加，丰度逐渐减少。在海水簇中，有三个基于地理位置的子簇，以及基于样本深度的分支的进一步差异。淡水样本根据湖泊和温泉生物群落进行亚聚类。

宏基因组树与各种环境因子的树状图相似，包括氧化还原电位、钒离子、硫酸盐浓度以及总氮、全有机氮、溶解有机氮和颗粒有机氮。在温泉的高度浑浊或透明区域分别发现了好氧，硫代谢的Crenachaeota和厌氧Aquificae。

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