PICRUSt2在微生物功能预测分析中的应用解读

学术   2024-11-29 09:41   上海  

PICRUSt2 (Phylogenetic Investigation of Communities by Reconstruction of Unobserved States 2) 是一种基于 16S rRNA 基因序列数据的微生物功能预测工具。相较于传统的测序方法需要大量资源来进行全基因组宏基因组测序,PICRUSt2 利用已知的基因组信息预测微生物群落的功能,从而在节约成本的情况下快速获得功能数据。以下是 PICRUSt2 在微生物功能预测分析中的关键应用和原理解析。

1. 预测微生物群落功能的原理

PICRUSt2 基于系统发育和已知基因组数据库中的功能信息,通过基于 16S rRNA 基因数据推测微生物群落的基因功能。PICRUSt2 的核心思路是利用已知的参考基因组,通过构建和目标样本相似的进化树,来推断样本中的功能基因群。与 PICRUSt1 相比,PICRUSt2 采用了更先进的算法和扩展的数据库,极大提高了功能预测的准确性

具体流程如下

输入数据准备:研究人员首先利用 16S rRNA 测序数据,通过比对获得OTUs(操作性分类单元)或ASVs(扩增子序列变异)
基因功能推断:PICRUSt2 通过序列比对将未知序列与已知基因组中的功能特征对应起来,推断出基因拷贝数,并进而计算出可能的代谢途径和功能分布
代谢通路重构:最后,通过 KEGG(Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes)数据库或其他生物途径数据库,可以预测并重构微生物群落的功能通路


2. PICRUSt2 的优势

  • 高效性:无需宏基因组测序,基于 16S 数据即可实现功能预测,大大降低了时间和成本

  • 较高的预测准确性:得益于丰富的数据库和优化的算法,PICRUSt2 在准确性和适用性上明显提升。它不仅适用于细菌,还适用于古菌

  • 灵活性:PICRUSt2 支持多种分析流程和数据库,研究人员可根据需要自定义分析流程,适用于广泛的微生物生态研究


3. PICRUSt2 结果说明


4. PICRUSt2 在功能预测中的应用场

PICRUSt2 在多个研究领域有着广泛应用,特别适用于需要功能信息但不具备足够资源进行宏基因组测序的研究

a. 人体微生物组研

在人体肠道、口腔、皮肤等微生物研究中,PICRUSt2 可以预测微生物的代谢功能,为研究微生物与人体健康和疾病之间的关系提供依据。例如,通过分析肠道微生物的功能,研究人员可以推测肠道菌群与代谢性疾病(如糖尿病、肥胖)的关联

b. 环境微生物研究

在土壤、水体等环境样本中,PICRUSt2 帮助研究者预测微生物的功能特性,从而了解特定环境的生物地球化学过程,例如氮循环、碳循环等过程的潜在功能。它特别适用于生态环境领域中的大规模样本筛查

c. 农业与食品微生物学

在农业和食品工业中,PICRUSt2 可用于研究微生物在作物健康、发酵食品中的功能。它帮助研究人员识别潜在的代谢途径,如植物根系微生物功能对作物生长的影响、发酵过程中的微生物代谢特性等


5. 限制与注意事

虽然 PICRUSt2 是一种有效的功能预测工具,但它依赖于已知基因组数据库的质量和丰富性,因此对于未知的或数据库中未涵盖的微生物群落,预测的准确性可能受限。另外,PICRUSt2 主要基于 16S rRNA 基因数据,在需要更高精度的功能数据时,仍可能需要宏基因组测序来验证结果


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