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宏基因组genom-centric分析珊瑚礁微生物功能的季节变化

来源:admin    发布时间:2020-08-03   阅读数:175

Comparative genome-centric analysis reveals seasonal variation in the function of coral reef microbiomes

宏基因组genom-centric分析珊瑚礁微生物功能的季节变化

a级黄色片宏基因组

作者: Bettina Glasl, Steven Robbins, Pedro R. Frade, et al.

期刊: The ISME Jornal

IF:9.49

DOI:10.1038/s41396-020-0622-6


一、研究背景

珊瑚礁在成百上千年生长过程中,给许多动植物提供了栖息环境。随着人类社会活动的日益频繁,珊瑚礁正以空前的速度衰退。全球变暖引起的海平面上升、海洋酸化、过度捕鱼让珊瑚礁生态系统受到很大威胁,也极大地破坏其本身的修复能力。研究表明微生物在珊瑚礁生物地理循环、微生物介导的生态过程中扮演着举足轻重的角色,对珊瑚礁生态系统的良好保持有重要作用。

目前珊瑚礁生态系统微生物的功能研究还比较缺乏,因此系统里浮游微生物以及宿主相关微生物的综合功能研究,以及它们和环境因子的关系需要进行深入研究。本文作者通过对巨藻富集的GBR近海珊瑚礁的海绵、巨藻和海水进行宏基因组高通量测序,并且进行了大量的宏基因重组工作以探究微生物群落结构和功能构成的季节变化。


二、实验结果

    1 Genome-centirc基因组重构和KEGG功能类群分析

基于宏基因组Genome-centric分析,按照95% ANI去冗余后共得到125个重构的MAG95%ANI,划分到15个细菌门和3个古菌门(图 1a)。海水、海绵和巨藻分别获得67、38和20个MAG95%ANI。高质量的MAG95%ANI随着样本类型不同占比也不同。这些MAG95%ANI物种和单独从宏基因抽出16S rRNA物种群落分析比较显示为优势物种。基因功能NMDS显示不同的样本类型能显著的区分开(图 1b)。

MAG95%ANI KEGG Mdodules注释发现三种样本中平均一半以上的功能大多集中在Carbohydrate metabolism、Energe metabolism和Environmental information processing上(图 1c),且三种样本里三大类功能的相对丰度非常相似。而Biosynthesis of other secondary metabolites功能只在巨藻中有发现(图 1c)。三类功能的Venn图分析显示,carbohydrate metabolism上有85%的功能是共有的,而Energy metabolism和Environmetal information processing上则分别只有41%和35%,在巨藻发现了大量独有的Environmetal information processing 功能模块,有71个Modules(图 1d)。

a级黄色片|细菌和古菌门水平的数量分布情况

图1.a:MAG95%ANI 细菌和古菌门水平的数量分布情况;b:基于MAG95%ANI 功能的NMDS分析;c:不同样本类型KEGG modules的相对丰度


2 珊瑚礁微生物群落结构和功能构成的季节变化

基于MAG95%ANI集的物种注释和功能注释,观察不同样本类型之间的季节变化(图 2a)。海绵的微生物群落门水平在不同的季节相对稳定,只有Chloroflexota在冬天出现显著的富集(图 2b),并且和Stable的类群能显著的区分开来(图 3),冬天和夏天stable类群的功能差异也主要是Chloroflexota导致的(图 4)。巨藻样本中物种群落则在不同时间点差异较大(图 2a),冬季和夏季都分别有不同的优势菌群,如夏季的优势菌群为Firmicutes。海水样本中,物种群落在不同的季节同样呈现出很大的差异和变化,有8个门的相对丰度都存在显著差异(图 2)。NH4+、TSS、NPOC和Si02等环境因子能解释96.6%的群落差异,而冬季、夏季和稳定微生物群落结构在功能类群上有显著的差异(图 2),说明季节变化引起的物种群落变化很可能引起了远洋礁石的微生物群落功能的变化(图 3)。

  a级黄色片|不同样本季节的物种群落相对丰度和差异分析图
图 2  不同样本季节的物种群落相对丰度和差异分析

 a级黄色片|门/纲水平不同样本类型群落功能的NMDS分析
图 3  门/纲水平不同样本类型群落功能的NMDS分析

 a级黄色片|海绵冬季优势菌群Chloroflexota 显著富集功能模块占比和丰度比较
图 4  海绵冬季优势菌群Chloroflexota 显著富集功能模块占比和丰度比较

四 结论

本文采用Genome-centric的宏基因组分析鉴定和分析了GBR近海珊瑚礁宿主相关和浮游微生物优势群落的功能构成,进行了详细的比较,共获得125个高质量的重构基因组,分布在15个细菌和3个古菌门上,最终鉴定分析得到了4类在珊瑚礁生态系统中比较重要的群落(Bacteroidota, Alphaproteobacteria, Firmicutes, Chloroflexota), 为后续宏转录组、宏蛋白组以及同位素标记等研究提供更加直接的支撑和证据。




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