了解微生物群落
微生物组研究有助于我们更好地了解细菌、真菌、古菌和病毒对我们的生活和环境的影响。过去，微生物组研究局限于我们培养微生物以表征分析微生物世界的能力。
然而，并非所有微生物都可被培养，且人工纯种培养使得微生物缺乏与其他物种的相互作用，而这类相互作用可决定它们的特性、行为和进化通路。这意味着，培养皿中的微生物在基因型和表型上很可能与自然环境中的微生物大有不同 (1)。
利用微生物下一代测序 (Next-Generation Sequencing, NGS) 方法，我们能够深入解析栖息于我们体内、体表及周围的微生物。
什么是宏基因组学或宏基因组测序？
宏基因组学（或称群落基因组学）是指在不分离培养单个物种的情况下，对自然生活环境中的微生物群落进行的遗传学分析。它能全面揭示这些群落内部的生物化学和代谢相互作用。
宏基因组学还有助于在无需预先分离的情况下识别微生物栖息地中的单个种类。它还能揭示微生物在环境压力下的适应机制，以及它们在群落内部及与周围环境中其他成分之间的相互作用。
微生物组研究宏基因组学
目前有三种流行的宏基因组测序方法。全基因组鸟枪法测序可让科学家对非细菌微生物（例如真菌和病毒）与细菌 (2) 一起进行同时研究，但需要提高测序预算。作为替代方法的 16S/18S/ITS 测序可专注于靶向区。该方法适用于细菌发育和分类研究 (3)。宏转录组学作为研究群落基因表达的方法，能提供代谢活动和宿主-微生物组相互作用等动态信息，与 WGS 鸟枪法或 16S/18S/ITS 测序获得的群落组成和潜力静态快照相辅相成。
此外，宏基因组测序方法还能对新型生物体（如大流行病早期的SARS-CoV-2 ）进行全新的基因组组装，完成已知生物体的基因组，或利用强大的高通量测序对数百种生物体的基因组进行比较。
当前方法的局限性
尽管 WGS、16S/18S/ITS 及宏转录组学等宏基因组测序方法为研究微生物群落提供了强大工具，但它们也存在某些局限性。
全基因组鸟枪法测序可能存在基因组覆盖不均等偏差问题，这会影响微生物丰度估算的准确性 (4)。
16S/18S/ITS 测序中的扩增步骤可能因核糖体基因拷贝数差异和 PCR 伪影可能性而引入偏差。这会导致微生物丰度表征失真 (5)。此外，16S/18S/ITS 测序中使用的通用引物可能无法同等匹配所有目标序列，从而导致某些分类群的检测不完全或存在偏差 (6)。
宏转录组学研究虽然成效显著但操作复杂。对复杂微生物群落样本进行 RNA-seq 时，可能会遇到灵敏度问题。后果？缺少位于靶区域的读长及低丰度 mRNA 转录物捕获失败。这意味着需要花费数小时优化 RNA-seq 才能将其纠正。本文总结了如何避免在宏转录组分析中浪费 RNA-seq 读长。
重点产品：提升宏基因组测序精度
相关资源：3 大热门宏基因组学网络研讨会
其他资源
参考文献：
- National Research Council (US) Committee on Metagenomics:Challenges and Functional Applications.The New Science of Metagenomics:Revealing the Secrets of Our Microbial Planet.Washington (DC):National Academies Press (US); 2007.
- Jovel, J. et al.(2016) Characterization of the gut microbiome using 16S or shotgun metagenomics.Front Microbiol.7, 459.
- Janda, J. M. and Abbott, S. L. (2007) 16s rRNA gene sequencing for bacterial identification in the diagnostic laboratory: pluses, perils, and pitfalls.Clin.Microbiol.45(9), 2761–2764.
- Chouvarine, P., Wiehlmann, L., Losada, P., DeLuca, D., & Tümmler, B. (2016).Filtration and Normalization of Sequencing Read Data in Whole-Metagenome Shotgun Samples.PLoS ONE, 11.
- Khachatryan, L., Leeuw, R., Kraakman, M., Pappas, N., Raa, M., Mei, H., Knijff, P., & Laros, J. (2020).Taxonomic classification and abundance estimation using 16S and WGS-A comparison using controlled reference samples..Forensic science international.Genetics, 46, 102257.
- Losada, P., Tümmler, B., Wiehlmann, L., & Chouvarine, P. (2014).Whole metagenome shotgun sequencing analysis of microbiome of cystic fibrosis- and COPD patients.European Respiratory Journal, 44, 1212.