那些年，那些NB的方案（一） 环境微生物组研究方案设计

环境微生物的研究，已经深入到我们生活的各个领域——从环境监测到人体健康，微生物组学研究热潮愈演愈烈——这其中，多组学，培养组学和生态表型研究也得到越来越多研究者的关注。


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而无论是那种研究方向和何种研究策略，微生物组研究关注的核心，主要集中在两个方向-微生物组的群落结构和功能特征。

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如何设计一个全面丰富的微生物组学研究方案呢？怎样才能让我们的研究更加丰满，获得更高水平的研究成果，进而发表更高质量的科研文章呢？第一步，就是好的实验设计。火爆的微生物组，目前常见的研究多为多组学研究设计——整合不同层次的研究技术和手段，从微生物的构成、到个体，到基因、功能和分子机制，全面阐述一个微生物组的全貌，这样的设计大多有“套路”可循（如下）。

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今天在这里就跟大家通过一些案例，来一起聊聊，关于环境微生物组研究，那些大牛的，经典的方案设计！

案例一

第一篇是2016年发表在Scientific Reports的关于湿地植株与湿地冬季脱氮功能的相关性研究。研究设计很简单：通过栽培不同类型的湿地植物，研究这些植物在冬天与湿地脱氮效应质检的关系，选择了最简单的16S rRNA测序。

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这篇文章可以说是简单技术应用的经典。可以看出这篇研究的分组设计上是很中规中矩的，但是通过研究全程详尽的理化性质采集和深入的讨论，也说明了不同样地栽培植株类型对样地脱氮的影响。结果干脆明了——通过简单的柱状图和饼图，直观展示出不同样本的微生物群落差异。

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案例二

第二篇是研究城市污水排放与抗生素抗性基因扩散的宏基因组研究。于2019年发表于Microbiome上。研究重点关注城市生活于环境的相互作用，利用沿海城市污水和海滩取样，开展宏基因组测序，深入进行了单菌组装及抗生素抗性研究。

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研究通过多种分析方法，深入比对了两种样本的群落结构共性与特性特征，深度挖掘其中抗生素抗性基因的分布，深究城市污水及海滩样本中抗性基因的种类及丰度差异。

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案例三

说到多组学分析，土壤科学中必会提及的一篇宏组学研究当推2015年Nature发表的不同类型土壤微生物组研究。通过对三种不同类型土壤的多组学研究（扩增子研究，宏基因组，宏转录组，宏蛋白组），展示三种土壤类型的物种及功能多样性分布。研究设计可谓是多组学经典：

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研究结果中更具有突破性的是——不仅仅展示不同类型样地的结果差异，还将不同技术手段获得的检测结果进行了多样化的比较和展示：

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案例四

除多组学技术之外，由于培养组的兴起，越来越多的学者将研究的目光，聚焦在利用宏基因技术，获得单菌基因组组装结果的研究上。这里就包括基于纯算法组装的宏基因组binning算法和基于三维基因组技术的特色HiC-Meta技术。
2018年，Nature报道了利用宏基因组binning技术开展的土壤细菌研究，深度挖掘了新的土壤微生物类群及功能，结合宏转录组测序，报道了多元化的土壤次生代谢产物合成基因。

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研究获得了376株近乎完整的土壤微生物基因组序列，鉴定并发现了千余种生物合成基因簇及抗生素合成基因。通过DNA和RNA两个水平层面研究，深入讨论了土壤微生物组种的次生代谢产物合成潜力及功能。

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Binning算法针对环境样本中的单菌基因组提供了低成本的研究路径，但针对环境中微生物之间的项目作用，研究环境微生物的质粒信息，抗生素抗性基因携带等.，采用HiC-Meta技术则更胜一筹——HiC-Meta方法除了可以获得更精确的单菌组装结果，更能将质粒与宿主基因组关联，监测抗性基因的水平转移，噬菌体侵染细菌等过程。在研究环境微生物的生态功能上具有重要意义。这个应用在之前的分享中，也给大家做过详细的介绍（污水排放影响微生物群落并促进抗生素抗性基因的水平转移过程）。

从群体，回归单菌，无疑是完成了微生物组研究中培养组关注的重要内容——在自然状态下保存微生物个体的本真，全面了解微生物的功能特征和营养方式，对下游的培养组（微生物分离培养）具有现实指导意义。无论是基于Binning还是HiC-Meta获得单菌基因组的信息，都可以转向指导单菌的分离培养，在下游研究中，就可以将分离的单菌开展单菌基因组研究，诸如研究微生物的系统进化，比较基因组研究阐述不同菌株的基因组结构及功能差异等。

相信在整合了多种技术手段和研究思路之后，可以更好地帮助大家获得环境微生物组更多高水平研究成果！

参考文献

1. Are multi-omics enough?   Nature Microbiology, 2016.

2. A hardy plant facilitates nitrogen removal via microbial communities in subsurface flow constructed wetlands in winter. Scientific Reports, 2016.

3. Urban metagenomics uncover antibiotic resistance reservoirs in coastal beach and sewage waters. Microbiome, 2019.

4. Multi-omics of permafrost, active layer and thermokarst bog soil microbiomes. Nature, 2015.

5. Novel soil bacteria possess diverse genes for secondary metabolite biosynthesis. Nature, 2018.

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