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?

文摘   2024-09-10 18:45   宁夏  

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 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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