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澳研究人员用基因测序“修正”细菌分类

2019-09-22 作者:科学动态   |   浏览(194)

原标题:澳研究人员用基因测序“修正”细菌分类

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澳大利亚昆士兰大学研究人员用基因测序技术绘制出细菌进化树,这一方法有助于改进以往的细菌分类法。

细菌与古细菌的最大可能“进化树”(族谱)示意图。图片来源:Christian Rinke et al. 2013

研究成果日前发表在英国《自然·生物技术》杂志上。研究人员主要使用一种被称为元基因组学的方法,对自然环境中的细菌样本直接进行测序,进而绘制出细菌进化树,更好地对细菌进行分类。

微生物是这个星球上最丰富多样的细胞生物。但大部分微生物都难以培养,关于它们的基因组数据很少。人们把进化树上未标注出的微生物形象地称为“微生物暗物质”。日前,美国科学家利用单细胞基因组学技术,对从未在实验室中被培养过的细菌与古细菌进行测序,获得了201种细菌与古细菌的基因组草图,大大拓宽了人类对“微生物暗物质”的认识。研究结果发表在7月14日的《自然》。

现有的生物分类主要依据生物在形态结构和生理功能等方面的特征,以弄清不同类群之间的亲缘关系和进化关系。

“细菌和古细菌的采样非常欠缺,很多关系仍不明朗,”文章的通讯作者、美国能源部联合基因组研究所(DOE Joint Genome Institute)的微生物学家塔尼亚·沃克(Tanja Woyke)在接受果壳网采访时表示:“我们开始系统地补充这些采样欠缺的微生物分支的资料,并利用高通量的单细胞基因组学技术来解释它们之间的关系。”

研究项目负责人、昆士兰大学化学和分子生物科学学院教授菲利普·胡金霍尔茨说,尽管科学界总体认可这种根据生物进化关系来确定的分类,但因为细菌难以根据物理特征区分,所以此前对细菌的分类存在一些错误。

这些发现对系统发生学研究具有重要意义。“生命之树上代表细菌和古细菌的分枝就好比人类的族谱。举个例子,如果族谱上少了一些曾祖父母,家族的脉络就会变得残缺而模糊,要重构家族的关系与进化历程就变得相当艰巨。”塔尼亚向果壳网介绍道:“微生物在数十亿年前就已经出现。从热液喷口、盐滩到热泉,它们占据着广阔多样的生态系统。了解它们如何在如此多样、甚至极端的生境中适应、进化是很重要的。”

研究人员以细菌中最常见的120种基因图谱为基础绘制出庞大的细菌进化树,以构建一个标准化的模型,修正以前的分类错误。

研究对来自9种不同生境的微生物样品进行了分析(图I),鉴别出的“微生物暗物质”分别属于29个此前未知的微生物分支。利用这些基因组信息,研究者得以厘清许多微生物在门内与门间的关系,并提出了两个新的超门(Superphyla)。

例如,按照原先的分类方法,只要是细胞内部产生孢子的杆状细菌都被归入梭菌属,而现在可以根据进化树将梭菌属下的细菌重新分类到29个科的121个不同的属。

图片 2图I: 全球9个样品采集位点分为海洋样品(蓝色)、淡水和咸水样品(绿色)、热液样品(红色)、沉积物样品(紫色)以及生物反应器样品(橙色)五个大类。其中,TG-南大西洋热带环流;HOT夏威夷海洋时间序列测试站;GOM-缅因湾;HSM-霍姆斯特克矿;SAK-萨奇诺湖;GBS-大沸泉;EPR-东太平洋海隆;ETL-伊托里高潟湖沉积岩;TA-对苯二甲酸酯降解反应器。图片来源:Christian Rinke et al. 2013

研究团队中负责软件开发的博士多诺万·帕克斯说,随着生物测序技术的进步,现在研究人员可以获得成千上万种细菌的完整基因“蓝图”,包括一些目前还无法在实验室培养出的细菌。(记者 陈宇)返回搜狐,查看更多

此前,获取新微生物基因组数据的主要方法是宏基因组技术。这种技术通过直接提取环境样品中所有微生物的总DNA,研究该环境下的微生物多样性。这项研究中,研究者将高通量单细胞流式分选技术、全基因组扩增技术及SSU rRNA单扩增基因组筛选技术结合,构成SAG分析平台(图II)。参考研究获得的基因组信息,研究员对高达3.4亿个分类不够精细或分类错误的宏基因组序列信息进行了修正和调整,从而使生命之树的分支脉络变得更加清晰准确。

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图II:单细胞测序流程:环境样品经过流式细胞分选后裂解并进行基因组扩增,利用SSU rRNA基因作分类学鉴定,挑选出的新世系进行基因组测序组装,最终得到201份基因组草图。图片来源:Christian Rinke et al. 2013

卡尔·乌斯(Carl Woese)于1977年提出三域系统,将生物分为细菌域、古菌域和真核域。这三个域(domain)是生命之树最初的三个分支。这次的研究发现,“不同域之间的边界并不像以往认为的那样严格分明。”塔尼亚告诉果壳网。

研究从“微生物暗物质”的基因组信息中发现了一些新的代谢特征:有2种细菌能够利用真菌的通路合成嘌呤;3种古细菌则能够编码完整的σ因子,这种蛋白是原核生物RNA聚合酶的一个亚基。此外,还有1种古细菌编码的氧化还原酶可能来源于生活在土壤中的变形虫(一种真核生物)。塔尼亚表示,“这些结果大大地出乎我们的意料。”

目前,单细胞基因组学技术的主要缺点在于覆盖率较低,即得到的测序信息并不能完全覆盖整个基因组。但一些实验室已致力于解决这一问题。塔尼亚对果壳网说:“我并不认为三年内会有既划算,精确度又高的宏基因组技术形成。在那样的技术问世之前,我预计单细胞基因组学技术将蓬勃发展,并成为微生物生态学和人体微生物组研究的一种标准手段。”

 

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信息来源:EurekAlert!
文章小图:mmbr.asm.org

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