近日，中國農業科學院深圳農業基因組研究所（嶺南現代農業科學與技術廣東省實驗室深圳分中心，以下簡稱“基因組所”） 孔思遠 課題組在 《農業科學學報（ Journal of Integrative Agriculture）》 上發表題為“High-fidelity gut metagenome: A new insight of identification of functional probiotics（高保真腸道宏基因組：研究和鑒定功能益生菌的新思路）”的綜述論文， 該文章總結了宏基因組用于腸道菌群組裝的最新試驗技術和組裝策略，為人類和動物腸道益生菌以及微生物組研究提供了新視角。
益生菌通過調節宿主腸道微生物群落的結構與代謝功能發揮作用，改善人類和動物腸道健康。因此，功能性益生菌的鑒定及其特性與適用性的深入探索，對于開發更有效的益生菌產品和制定人類健康與畜牧業領域個性化益生菌治療和營養調控策略具有至關重要的意義。
圖1 |? 腸道微生物群對宿主的影響。 A 宿主的腸道微生物群。 B 不同種類的宿主，包括人、豬、雞、牛、羊。 C 腸道微生物群對宿主的影響。
然而，受當前測序技術的限制，尤其是在處理具有密切親緣關系譜系的微生物群落時，使得宏基因組的組裝變得復雜，完整的宏基因組組裝基因組（cMAGs）的生成受到阻礙。這一限制制約了研究人員在益生菌菌株水平上的全面解析。因此，該研究首先闡述了益生菌通過調節腸道微生物群落的結構和功能對宿主產生的益處，并強調功能性益生菌鑒定的重要性，按照微生物組研究技術發展的時間順序詳細介紹了益生菌研究中的技術進展（包括糞便微生物群移植（Fecal microbiota transplantation）、微生物16S rDNA測序（Microbial 16S rDNA) sequencing）、轉錄組分析（Transcriptome analysis）、代謝組分析（Metabolomic analysis）、鳥槍法測序技術（Shotgun sequencing technology）、技術局限性（Technical limitations）等方面），總結了這些技術在益生菌研究中的應用和研究意義，揭示了這些技術如何促進益生菌對腸道微生物群和宿主健康的影響，并闡述了這些技術的優點和缺點。
由于這些技術的局限性，研究人員希望通過宏基因組組裝獲得完整的宏基因組數據用來充分解析微生物組的組織模式和功能。所以，該研究深入探討了基于不同測序技術的宏基因組組裝方法和組裝軟件，回顧了這些組裝方法在鑒定功能性益生菌中的應用和意義，并詳細介紹了各種組裝技術和軟件的優勢、局限性、原理以及它們在特定研究場景下的適用性。逐步揭示了隨著測序技術與組裝軟件的不斷進步，組裝質量如何得以提升(主要從“基于NGS的宏基因組組裝方法”、“基于TGS的宏基因組組裝方法”、“基于混合測序的宏基因組組裝方法”、“結合Hi-C輔助的TGS與NGS混合測序將為完整宏基因組的組裝提供完美的解決方案”等方面進行闡述)。研究人員依據不同的數據類型及各項測序技術和組裝軟件的特點，創新性地總結了高保真度腸道宏基因組組裝的流程，從而為鑒定功能性益生菌提供了清晰和詳細的指導。
圖2 | 腸道完整宏基因組研究技術流程
基因組所（省實驗室深圳分中心）副研究員孔思遠、美國弗雷德里克國家實驗室研究員張玉波、太原理工大學計算機科學與技術學院（大數據學院）周瑜為本文章共同通訊作者。基因組所與太原理工大學聯合培養碩士生（已畢業）王宇輝，科研助理（已離職）高培文為本文章第一作者。其中腸道完整宏基因組組裝流程得到了基因組所潘瑋華研究員的指導。該研究得到了廣東省自然科學基金面上項目、深圳市優秀科技創新人才培養（博士啟動）項目等基金的資助。
原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.jia.2024.05.011
參考文獻：
1. Yuhui Wang#, Peiwen Gao#, Chenying Li, Yuxi Lu, Yubo Zhang*, Yu Zhou*, Siyuan Kong*. High-fidelity gut metagenome: A new insight of probiotics effects on gut microbiome. Journal of Integrative Agriculture, 2024, ISSN 2095-3119, https://doi.org/10.1016/ j.jia.2024.05.011.
2. Yuxi Lu#, Jinbao Yang#, Chenying Li#, Yunhan Tian, Rongrong Chang, Dashuai Kong, Shulin Yang, Yanfang Wang, Yubo Zhang, Xiusheng Zhu*, Weihua Pan*, Siyuan Kong*. Efficient and easy-to-use capturing 3D metagenome interactions with GutHi-C. iMeta, 2024, e227. https://doi.org/10.1002/imt2.227.
3. Siyuan Kong, Yubo Zhang. Deciphering Hi-C: from 3D genome to function. Cell Biol Toxicol. 2019, 35(1): 15-32.
