微生态研究新热潮:扩增子绝对定量(一)

文摘   2024-10-09 08:00   内蒙古  


微生态研究现状

微生态研究的快速发展提高了人们对微生物群落的理解。然而,目前大多数微生态研究仍依赖于相对定量的方法,这种方法往往不能准确反映环境中微生物群落的真实情况。相对定量只关注微生物的相对丰度,而忽视了其绝对丰度的变化,可能导致对微生物生态功能的误判。

例如有两个群落,一个随着时间的推移逐渐繁盛,另一个逐渐消亡,但相对定量显示为相同的结论。相对丰度数据的组成性质因此可能掩盖群落动态,无法真实还原群落的繁盛和消亡。绝对定量能够更真实还原微生物的群落动态变化。

图1 绝对定量能够更真实还原微生物的群落动态变化[1]


微生物绝对定量

目前应用最广泛的基于细胞和基于分子的微生物绝对定量方法,包括Spike-in内标法、qPCR绝对定量法等。本期,小编带大家聊一聊Spike-in内标法的原理和应用吧!

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项目介绍:Spike-in内标法

2016年,Frank Stämmler等人在Microbiome发表题为“Adjusting microbiome profiles for differences in microbial load by spike-in Bacteria”[2]的研究论文,研究者提出建议将外源细菌spike-in制备成标准品,以量化绝对细菌丰度的比例,并命名为 spike-in-based calibration to total microbial load (SCML)。研究者使用含有确定数量的spike-in细菌Salinibacter ruber,Rhizobium Radiobter和Alcylobacillusacdiphus,通过这些spike-in细菌的16S rDNA reads计数来调整内源性细菌的read计数,以分析总微生物载量的变化,结果表明肠道微生物组研究中的外源性spike-in细菌标准品可以估计绝对OTU丰度的比例,为肠道微生物组的结构和动力学提供新的见解。
图2  Spike-in 分析流程图

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Spike-in内标法原理介绍

2020年,中科院分子植物卓越中心王二涛研究组在Science Bulletin发表研究论文“An amplification-selection model for quantified rhizosphere microbiota assembly[3],基于spike-in绝对定量结果,提出根际微生物群落“扩增-选择”组装新模型。

基于微生物相对丰度测序数据,研究人员提出了根际微生物群落的两步或多步筛选组装模型(图1A),该模型认为:微生物在根外土(bulk soil)、根际土 (rhizosphere soil) 和根内 (root) 逐步被筛选,最终形成植物根际特异的微生物群落。但是,基于微生物相对丰度,忽略了单位质量或体积中微生物群落的绝对丰度,以及不同菌株16s拷贝数差异,得出的结论往往不足以让人信服!为了克服常规16S rRNA基因高通量测序相对定量研究的局限性,作者采用了以下组合方法:

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首先向根际样本中添加了已知浓度的人工合成的spike-in质粒(spike-in质粒包含随机排列的碱基序列,随机序列两端是16S rRNA基因测序的正反向引物对应序列,随机序列长度及碱基GC含量与16S rRNA基因测序片段一致),用来定量检测单位质量根际样本中细菌16S rRNA基因的总量 (quantified 16S abundance);

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进一步通过rrnDB数据库获取了每种细菌可操作分类单元(Operational Taxonomic Units,OTU)的16S rRNA基因平均拷贝数,然后通过加权平均获得了每种细菌OTU的绝对细胞数目(quantified bacterial abundance);但是须知,该网站只适合16S数据,且该网站基于Greengene数据库,收录的16S数量相对较少,从而影响物种定量;

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通过对单拷贝的rpoB基因测序,比较并评估基于16S rRNA基因定量测序计算出的绝对细菌数目的准确性。

图3 评估根际微生物绝对定量的组合方法

通过Spike-in绝对定量,研究者发现,16s基因含量在根外土、根际土和根内的绝对丰度分别为:1.1 × 109,1.51 × 1010和3.28 × 109,根际土中细菌16S rRNA基因的含量是根外土的13.7倍。再通过16S rRNA基因的拷贝数加权后,得到细菌在根外土、根际土和根内绝对丰度分别为:6.91 × 108,6.44 × 109和1.24 × 109,根际土中细菌细胞数目是根外土的9.3倍。基于此结果,研究者重新提出了根际微生物群落组装模型—“扩增-选择”(图1B),该模型认为根外土中的微生物经根际土扩增后被根筛选,从而形成特异的根内微生物群落。“扩增-选择”新模型,将指导人们定量追踪植物根际微生物群在不同时期绝对丰度的变化,有助于将根际微生物与植物性状关联分析,提升根际微生物在农业方面的应用。

图4根际微生物群落组装模型   A:两步或多步筛选组装模型   B:扩增-选择模型



凌恩生物微生物绝对定量解决方案

凌恩生物微生物绝对定量技术运用高通量测序技术和spike-in内标法实现对微生物(16s/ITS/18S)的绝对定量。通过在样品中加入已知拷贝数的spike-in内参序列,与样品同时进行扩增、建库测序,然后通过内参的理论拷贝数与测序tags数,根据王二涛老师文章[2]获得标准计算公式,结合标准计算公式及相当定量结果计算得到OTUs/ASVs的绝对拷贝数表,能够一次获得所有细菌的绝对定量结果。详情可查阅往期推文(Spike-in:微生态16S扩增子绝对定量重磅上线!
图3 Spike-in绝对定量原理示意图

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凌恩微生物多样性绝对定量分析流程图


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凌恩优势


分析内容更全面

可选择OTU聚类和ASV序列降噪分析方法,涵盖30+项主流分析内容;


数据量更大

推荐常规数据量10-20w tags,去除Spike-in DNA后,有效数据可达10w+条,注释结果更准确;


一次测序三套数据,极致性价比的科研之选

相对定量结果、绝对定量结果、两者联合分析结果;


多平台支持

凌恩生物可根据老师需求,选择不同的测序平台,二代、三代、进口、国产等。

凌恩生物深耕微生态研究,率先推出扩增子绝对定量产品,合作客户已发表多篇扩增子绝对定量文章,凌恩生物,期待与你合作!



 参考文献 



[1] Multi-kingdom ecological drivers of microbiota assembly in preterm infants.Nature,2021.
[2] Adjusting microbiome profiles for differences in microbial load by spike-in bacteria. Microbiome, 2016
[3] An amplification-selection model for quantified rhizosphere microbiota assembly. Science Bulletin, 2020.

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