鄧曄研究組在微生物功能基因的數(shù)據(jù)庫開發(fā)和環(huán)境定量方面取得新進展
中科院環(huán)境生物技術重點實驗室鄧曄研究組與日本東京大學、四川大學、大連理工大學等單位合作，在微生物功能基因數(shù)據(jù)庫開發(fā)和應用方面取得新進展，相關研究成果近日發(fā)表于Methods in Ecology and Evolution（Wang, et al. 2022），Molecular Ecology Resources（Wang, et al. 2022），Journal of hazardous Materials（Li, et al. 2022）等生態(tài)學和環(huán)境科學期刊上。
環(huán)境核酸檢測技術已廣泛應用于研究不同生境中的專一微生物（如新冠病毒等）或廣譜微生物群體（如細菌群落等）的分布和含量狀況，但這些檢測技術的準確性高度依賴于PCR引物的特異性和覆蓋度，而設計和評估高質(zhì)量的擴增引物均需構建全面的標記基因序列數(shù)據(jù)庫。同時，環(huán)境樣本中廣泛存在的PCR抑制劑對痕量基因的檢測也造成極大的困難。
在此，鄧曄研究組開發(fā)了一個基于隱馬爾可夫模型（Hidden Markov model profiles）的標記基因序列收集平臺，兼顧序列的高質(zhì)量和完整性。針對表征氮素轉(zhuǎn)化酶的標記基因構建氮循環(huán)基因數(shù)據(jù)庫NcycFunGen，包含涉及7個氮循環(huán)過程的22個標記基因，共收集60余萬條蛋白質(zhì)和對應的核苷酸序列及完整的物種注釋信息。基于該數(shù)據(jù)庫，系統(tǒng)評價了608條已發(fā)表的氮循環(huán)基因引物，其結果表明，大部分收集到的引物對僅能覆蓋不到30%的目標序列。因此，該團隊進一步通過NcycFunGen收集的高質(zhì)量序列，重新設計了脲酶標記基因ureC、氨單加氧酶標記基因amoA和固氮基因nifH的簡并引物對。引物評價中，這些新設計的引物對具有更高的覆蓋度和擴增效率、以及更合適的擴增子長度，可用于高通量擴增子測序。此外，在草地尿素添加實驗中，數(shù)字微滴PCR和高通量擴增子測序結果顯示新設計的ureC基因和nifH基因引物對比之前發(fā)表的通用引物對具有更好的特異性和可以檢測更廣的物種分類范圍。以上結果發(fā)表于生態(tài)學雜志Methods in Ecology and Evolution（Wang,et al., 2022）。
圖1數(shù)據(jù)庫構建流程
與此同時，該研究團隊還針對芳香族化合物降解的微生物標記基因ARHDs構建序列數(shù)據(jù)庫DARHD，系統(tǒng)地評估了該基因的譜系多樣性和底物廣譜性。引物評價結果表明，目前廣泛采用的引物在用于復雜的環(huán)境樣本檢測時還存在覆蓋度低和特異性差等諸多不足，實驗時需要根據(jù)樣本類類型及研究目標進行特異性的引物設計（Li, et al.,Journal of Hazardous Materials, 2022）。此外，該團隊還系統(tǒng)評估了新一代定量技術——數(shù)字微滴PCR（ddPCR）在環(huán)境樣本中的表現(xiàn)，實驗表明ddPCR在標記基因定量方面比傳統(tǒng)定量PCR具有更好的準確性、可重復性、靈敏性和穩(wěn)定性。由于該技術對PCR抑制劑不敏感，并具有定量較長目的片段的潛力，因此ddPCR在環(huán)境監(jiān)測和評估中能更準確地定量特定微生物或功能類群的環(huán)境總量（Wang, et al., Molecular Ecology Resources, 2022）。
以上研究得到了國家科技部、自然科學基金和四川省科技廳有關項目支持。
原文鏈接
論文鏈接1：https://doi.org/10.1111/2041-210X.13946
論文鏈接2：http://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/s0304389422010202
論文鏈接3：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/1755-0998.13644
中科院環(huán)境生物技術重點實驗室
