数据分析 | 微生物宏基因组数据组装、分箱等高级分析如何可视化?

政务   2024-09-19 09:00   湖北  

什么是宏基因组?

宏基因组学(Metagenomics),又称元基因组学,以特定生境中的整个微生物群落为研究对象,采用高通量测序技术,获得环境微生物基因组信息总和,以研究环境微生物的群落结构、物种分类、系统进化、基因功能以及代谢通路等。
宏基因组测序技术是进行微生物资源开发利用、加速微生态科研深度研究的重要手段,为此组学大讲堂特制作了视频课程《微生物宏基因组分析实操》(提供配套代码,软件,分析环境镜像,赠送练习用云服务器)手把手教你宏基因组原始数据的分析。
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宏基因组优势及分析难点

同为研究微生物群落的重要实验技术,宏基因组相较于扩增子的分析内容有着极大的提升,如下表格所示:


扩增子测序

宏基因组

研究对象

16S/18S/ITS 等扩增产物

全部 DNA

是否需要PCR扩增

需要

不需要

资金成本

较低

较高

获得结果

物种多样性与功能预测(KEGG第三层级)

物种组成和多样性与更全面的基因功能信息

物种组成信息

一次研究只包括细菌(16S)或真菌(18S 或 ITS),无法得到全部物种

可以得到细菌,真菌以及病毒信息

分析难度

简单

较难

优势

不用考虑宿主污染问题,价格便宜适合大样本研究

无需扩增,包含全部 DNA 信息

局限性

存在 PCR 偏好性

测序数据量大,价格高

那么我们进行宏基因组数据分析时有什么难点呢?
第一个挑战宿主污染,在研究人类或其他动物的肠道或体液微生物组时。这个问题特别明显,因为宿主的DNA可以在样本中占据主导地位,从而干扰微生物DNA的测序和分析。
解决办法:组学大讲堂课程有讲解如何手动一步一步去除宿主,也可以通过流程化的工具kneeddata一步直接完成宿主去除。
第二个挑战是如何从环境样本中提取的混合DNA中正确地组装和预测基因。由于样本中微生物的高度多样性和不同物种间基因序列的相似性,正确地将短读序列组装成完整的基因或基因组非常困难。
解决办法:组学大讲堂课程里讲述了megahit,spades两种软件,你还可以通过单样本组装,混合组装,单样本+混合组装,3种方法,协调自己的资源与时间得到最好的组装结果。

宏基因组高级分析

除了常规的宏基因组分析,本课程还讲解了如何进行分箱分析。
宏基因组(metagenomics)中的
分箱(binning)是将混合的DNA序列数据分组(bin)为具有相似特征的序列集合的过程。这个过程旨在将原始混合的DNA序列数据分配给不同的生物体或生态群体,以便更好地理解和分析微生物群落的组成、功能和结构。

本课程借助metawrap的优化模块,通过3种主流的分箱软件,metabat,maxbin,concoct得到了优质的分箱结果,并通过GTDB数据库得到基因组物种注释和对应的进化树。

发表级文章图表

新颖美观的图表不仅能增添数据结果的可读性,也对撰文投稿有加分作用。为满足广大研究者对“颜值”的追求,我们紧追最新宏基因组分析文献中图表呈现的新趋势,不断尝试新的绘图R包和程序,生成了更炫并且信息量更多的图表,可以直接用于文章撰写。下图为本课程实际生成图片:


《微生物宏基因组数据分析实操》课程

本课程包括6个大章节,20个小章节,习得之后可以掌握宏基因组原始数据到标准分析、高级分析的技能。

本课程是基于docker系统,下载组学大讲堂提供的镜像即可进行相关分析,所有代码及软件均已封装,解决了软件安装、环境配置的烦恼。学员直接运行我们提供的脚本即可获得分析结果,大大的提高了分析数据的效率。

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