· 微生物16S多样性测序 ·
微生物多样性测序是基于二代高通量技术对16S rRNA基因序列进行测序,能同时对样品中的优势物种、稀有物种以及一些未知的物种进行检测。
获得样品中的微生物群落组成以及它们之间的相对丰度。
探讨微生物多样性对于研究微生物与环境的关系、环境治理和微生物资源的利用有着重要的理论和现实意义。
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Circos 样本与物种关系图
样本与物种共线性关系图是描述样本与物种之间对应关系的可视化圈图,
不仅能反映每个样本中优势物种的组成比例,同时也可以展示各优势物种在不同样本中的分布情况。
Ternary三元相图
Ternary Plot是用一个等边三角形描述三个变量的不同属性的比率关系,
可以直观的展示出不同物种在不同样本(组)中的比重和关系。
相关性corrplot图
Corrplot图可以用圆点的大小和颜色变化来反映二维矩阵或表格中的数据信息,
它可以将数据值的大小以定义的圆点大小和颜色深浅进行展示。
常用来展示物种与物种或物种与环境因子之间的相关性。
Indicator分析
指标性物种是指一定区域范围内能指示生长环境或某些环境条件的生物种、属或群落,
而Indicator分析常被用来筛选各个样本组中的指标性物种。
- 案例展示 -
入侵植物紫茎泽兰根系对土壤中稀有细菌的富集作用
Enrichment of soil rare bacteria in root by an invasive plant Ageratina adenophora
发表期刊:Science of the Total Environment
发表时间:2019.06
影响因子:5.589
作者单位:云南大学生物资源保护与利用国家ZD实验室
生物技术:细菌16S rRNA高通量测序
一、研究背景
紫茎泽兰作为世界性入侵杂草,对入侵地区造成严重的经济损失和生态环境破坏。入侵植物与入侵地土壤中微生物之间存在密切的互作关系。微生物可从根系分泌物中获取植物的光合产物,同时为植物提供所需要的植物激素和营养物质等产物。随着植物根系周围土壤环境(碳浓度、植物化学物质等)的变化,微生物会在植物根系表面积累,进而在植物根内富集形成根系微生物。多种植物研究表明,微生物的选择性富集会造成植物根系和根际土壤中的微生物群落结构发生改变(拟南芥、胡杨、玉米和水稻),进而影响入侵植物与本地植物的竞争关系。
二、研究内容
本研究采用16S rRNA高通量测序技术,比较不同地区入侵植物紫茎泽兰的根系和根际土壤细菌群落结构。证实了紫茎泽兰可以选择性富集梭状芽胞杆菌和肠杆菌,导致植物根系细菌在不同分类水平上的结构组成发生变化,还深入讨论了富集菌株对入侵植物和本地植物生长的影响,揭示根系细菌富集效应对植物入侵的影响。
三、技术路线
四、研究结果
1. 细菌16s rRNA高通量测序结果展示
共对18个根系样本和9个根际土壤样本进行测序,各样本valid tags数为22,583 ~ 38,430,占比为77.70% ~ 93.70%,共计893,743个valid tags。根际土壤的稀释曲线显示在12000 reads左右达到饱和,根际土壤的物种数高于根系(图2a)。此外,根际土壤的alpha多样性指数显著高于根系,但根际土壤和根系的组内样本无显著性差异(图2b)。
图2 稀释曲线(a)和alpha多样性指数(b)
2. 紫茎泽兰根系对土壤微生物的富集作用
比较不同分组样本(根系与根际土壤)的测序结果,表明根系细菌与根际土壤细菌差异显著(图 3)。进一步分析不同分类水平下根系和根际土壤的细菌群落结构差异。结果表明,在门水平上,厚壁菌门(Firmicutes)在根系(45.68%)和根际土壤(29.78%)中均有分布,且根系中的变形菌门(Proteobacteria)含量(46.59%)显著高于根际土壤(24.76%),拟杆菌门(Bacteroidetes)在根际土壤中含量较高(39.06%)(图 4a)。在纲水平上,梭状芽孢杆菌纲(Clostridia)在根系(44.98%)与根际土壤(27.47%)中均存在,拟杆菌纲(Bacteroidia)在根际土壤中含量较高(35.56%),丙型变形菌纲(Gammaproteobacteria)在根系中含量较高(27.51%)(图 4b)。在属水平上,梭状杆菌属(Clostridium)和肠杆菌属(Enterobacter)在根系中的含量显著高于根际土壤(图 4c)。在OTUs水平上,1292个OTUs同时存在根际土壤和根系中,1592个OTUs只根际土壤中存在,327个OTUs只在根系中存在(图 5a)。比较了两组的共有TOP30 OTUs,发现OTU11(Burkholderiales)和OTU289(Oxalobacteraceae)在根际土壤中含量显著高于根系,而OTU1(Clostridium)和OTU6(Enterobacter)在根系中含量较高(图 5b, c)。因此,根系中的微生物可能是从根际土壤中富集的。
图3 NMDS分析不同入侵范围和来源的细菌群落多样性差异
图4 不同分类水平下的根系和根际土壤中微生物群落结构分布
图5 OTUs在根系和根际土壤中的差异分布
3. 植物促生长实验
选择常见的根系菌株OTU6和OTU30(肠杆菌科)进行植物促生长实验。结果表明,OTU6对紫茎泽兰的生长具有促进作用,对本地植物生长具有YZ作用,而OTU30具有相反的作用(图 6)。
图6 肠杆菌对紫茎泽兰生长的促进作用
五、研究总结
本研究表明,入侵植物紫茎泽兰根系可从根际土壤中选择性富集梭状芽胞杆菌(Clostridium)和肠杆菌(Enterobacter),改变植物根系和根际土壤微生物的群落结构。其中肠杆菌OTU6可促进入侵植物生长,YZ本地植物生长。
六、参考文献
Chen L, Fang K, Zhou J, et al. Enrichment of soil rare bacteria in root by an invasive plant Ageratina adenophora.Science of the Total Environment. 2019, 683:202-209.(DOI: 10.1016/j.scitotenv.2019.05.220)
- 常见问题 -
Q1. 欧易生物提供哪些样本类型的微生物16S多样性检测?
针对宿主的相关样品,如粪便、肠道内容物;针对环境的相关样品:土壤、水体、底泥、沉积物,欧易生物均可提供微生物16S多样性检测。
Q2. 微生物16S多样性测序一般的送样要求是什么?
DNA样本:总量 > 500 ng,浓度 > 20 ng/µl,无明显降解;土壤或底泥样本:2 g;粪便或肠道内容物:2 g;水体样本:直径 3-5 cm的滤膜一张,滤膜上可见附着物。单次送样样本量需 ≥ 20个,送样管(冻存管)务必标清样品编号,管口使用Parafilm封口膜密封(防止样本间交叉污染),并将填写完整的送样订单用自封袋密封后,随同样品一起使用干冰运输寄送至公司。
Q3. 进行环境微生物16S多样性测序一般可以鉴定到物种的哪个分类水平?
一般利用二代测序平台进行16S rRNA基因测序可以分类到属的级别,一方面现有主流参考物种数据库(Silva、NCBI和Greengenes等)和对应的物种分类软件在注释到属水平时相对准确,另一方面二代测序读长较短,而微生物在种或菌株分类学水平上物种间16S rRNA基因碱基序列差异较低,因而在种水平上的分类学信息置信度较低。
Q4. 微生物16S多样性测序的应用领域?
环境微生物多样性测序的应用领域非常广:包括疾病诊断、疾病机理、药效评价、药物机理等医YF面;环境微生物差异研究、生物地理学研究等环境生态学方面;植物保护、连作障碍、作物生长与根际微生物关系等植物科学方面;动物肠道微生物研究等动物科学方面;污水处理、油污利用、酿酒微生物研究等工业应用方面;