公司简介

——

江苏亚傅app官网生态科技有限公司,江苏地区专注水生生物分类的开拓者,是一家集监测、评估、咨询等技术服务为一体的综合性第三方机构,为客户提供一站式水生态监测与保护方案。

联系亚傅app官网

——

服务案例

——

版权所有 江苏亚傅app官网生态科技有限公司  备案号:苏ICP备17021331号-1    网站建设:中企动力  南京

h.guan@ecohoan.com

南京市麒麟科技创新园康园路20号南京空间大数据产亚基地D栋401-416室

025-83378679/18913353756

资讯详情

从宏基因组学的角度思考水华蓝藻分类

浏览量

  众所周知,蓝藻水华暴发已经成为一个世界性的环境生态学难题,其危害不言而喻。但是如何对水华蓝藻物种进行准确分类,却往往是一件非常棘手的事情。

  近年来,基于形态学的传统分类学方法愈加显示其局限性,难以准确对蓝藻进行系统分类。目前蓝藻分类的多相学手段(polyphasic approach)已经被普遍接受,除了形态学(Morphology),还应包括生理学(Physiology)、生物化学(Biochemistry)、遗传学(Genetics)等其他指标。

  那么结合宏基因组学技术,从蓝藻附生细菌、功能基因和代谢通路等角度,是否会对水华蓝藻物种分类带来新的启发和思考呢?

  1、蓝藻的系统分类

  

从宏基因组学的角度思考水华蓝藻分类

 

  微囊藻水华 (A) 太湖微囊藻水华的卫星图。(B) 美国纽约Agawam湖微囊藻水华。(C、D) 不同群体形态的光镜图。| Harke, 2016

  蓝藻分类系统走过了基于野外样本的形态学植物性方法( botanical method),再到形态学、生理学、生物化学、遗传学等多相学相结合的过程。

  蓝藻分类学家主要有以下三个学派:

  简化派:

  The first group of researchers wanted to simplify the systematic Classification by substantial reducing the number of taxa (Drouet & Daily 1956, Drouet 1968, 1973, 1978, 1981, Bourrelly 1970, Otsuka et al. 2001).

  小属派:

  A second group proposed splitting both species and genera (or higher-level taxa), in order to achieve monophyly in all taxonomic groups (Anagnostidis & Komárek 1985, Casamatta et al. 2005, Johansen & Casamatta 2005, ?ehákováet al. 2007, Siegesmund et al. 2008, Perkerson et al. 2011).

  谨慎派:

  A third group advocated caution and recommended a moratorium on taxonomic revision until there was considerably more molecular evidence (Hoffmann 2005).

  近年来,16S rRNA、cpcBA-IGS和ITS等分子标签被广泛应用于蓝藻的系统分类学研究,弥补了传统方法上的一些不足。同时,蓝藻分类系统 (目、科、属、种)一直处于不断修订和变更中。

  目前单一的分类手段已经很难满足蓝藻复杂的系统分类,Komárek等(2014)基于多相分类方法的研究手段提出了新的8目(46科, 202属)分类系统[1]。详见蓝藻系统分类学的发展历程。

  

从宏基因组学的角度思考水华蓝藻分类

 

  微囊藻水华的全球分布。白色表示无水华或藻毒素地区;蓝色表示水华发生地区;绿色表示水华与微囊藻毒素同时出现地区。| Harke, 2016

  以淡水生态系统中最为常见的微囊藻Microcystis为例,如上图所示,它在257个国家和地区都有发生记录。尽管该物种作为一个典型水华物种,形态学、生理、生化,以及遗传学背景已经相当清楚,但是该属的分类依然存在众多争议。

  例如,对27个微囊藻种类,包括15个基因组(草图或完成图)的序列分析表明,nucleotide identity values 超过95%、16S rRNA nucleotide identity scores 超过99%、DNA–DNA hybridization (DDH) 超过70%,也即微囊藻种类应该被归为一个物种综合体(The same species complex)[2]。

  2001年Otsuka作为简化派代表,利用DDH的方法研究了Microcystis (aeruginosa, ichthyoblabe, novacekii, viridis, and wesenbergii),认为DDH结果大于70%,这5个种类应该合并为一个种(Microcystis aeruginosa comb. nov. Kützing 1833)[3]。

  2、宏基因组学

  宏基因组学(Metagenomics)也称环境基因组学,是通过直接从环境样品中提取全部微生物的DNA,构建宏基因组文库,利用基因组学的研究策略,研究环境样品中全部微生物的群落组成及其功能。

  

图片关键词

 

  宏基因组研究策略及流程图

  宏基因组这一概念最早由Handelsman等人在1998年针对土壤微生物的研究中提出,随着测序技术的发展和生物信息学的快速发展,包括大气、土壤、海洋、淡水、废水、冻土、沉积物、食品、人体(肠道、皮肤、阴道等)和动物(肠道和胃等)等不同环境的宏基因组学研究相继被开展。

  3、利用宏基因组学方法获取微囊藻附生细菌的基因组序列

  治理太湖蓝藻水华,首先需要了解蓝藻和蓝藻水华。尽管目前亚傅app官网对太湖蓝藻水华的优势种微囊藻已经有了较多的研究,但是关于其基因组,尤其是附生细菌基因组及其互作的研究还不多。

  分析微囊藻及其附生细菌的代谢通路,对于研究蓝藻水华暴发机理可能具有重要意义。

  

图片关键词

 

  微囊藻及其附生细菌 | Algae-Hub

  目前,随着高通量测序技术的飞速发展,获取完整的蓝藻基因组变得比较容易。但是单一的物种基因组序列并不能完全展示自然条件下蓝藻群体颗粒(Cyanobacterial Aggregates, CAs)的信息,而正是这些蓝藻群体颗粒组成了蓝藻水华。

  因此,开展蓝藻及其附生细菌的研究,尤其是之间的互作,对于揭示蓝藻水华的暴发机制具有重要意义。

  利用宏基因组学,可以从相对简单的群落中组装优势种群的高质量基因组。而单种微囊藻群体颗粒的物种组成并不复杂,是进行宏基因组学研究的理想对象。

  一种可行的方法是,通过宏基因组学方法分析出蓝藻群体颗粒中所含的微生物种群种类,进而研究这些与蓝藻共生的环境微生物的基因功能和代谢通路。这种研究方案较少受到水体中浮游微生物和游离DNA的干扰,一定程度减少了样本中物种复杂度,有利于后续基因组的从头组装(de novo assembly)。

  2019年10月11日,International Journal of Molecular Sciences发表了东南大学生物科学与医学工程学院生物电子国家重点实验室涂景课题组的研究成果:Obtaining Genome Sequences of Mutualistic Bacteria in Single Microcystis Colonies。该研究设计了一种方法,可以从自然水体的单物种微囊藻群体中获得高质量的共生细菌基因组[4]。

  

图片关键词

 

  论文亚傅app官网

  太湖蓝藻水华主要以微囊藻为主,优势类群主要以鱼害微囊藻M. ichthyobabe、水华微囊藻M. flos-aquae、铜绿微囊藻M.aeruginosa、惠氏微囊藻M. wesenbergii和片状微囊藻M. panniformis为主。

  

图片关键词

 

  太湖微囊藻水华常见物种显微图 (a) 鱼害微囊藻;(b) 水华微囊藻;(c) 铜绿微囊藻;(d) 惠氏微囊藻;(e) 片状微囊藻;(f) 挪氏微囊藻;(g) 放射微囊藻;(h) 绿色微囊藻;(i) 史密斯微囊藻

  该研究主要针对太湖蓝藻水华中群体特征较为明显、丰度较高、代表性较强的铜绿微囊藻(M.aeruginosa)、惠氏微囊藻(M.wesenbergii)和片状微囊藻(M. panniformis),对其群体颗粒进行了分析研究。

  首先用溶菌酶和蛋白酶K原位裂解群体颗粒获得样本的微量核酸,再使用Φ29 DNA聚合酶及随机六聚物引物对微量核酸进行扩增,获得高质量的单物种群体颗粒宏基因组样本。

  按照Illumina标准文库制备流程进行文库制备及后续质控检测,在HiSeq 4000测序平台上对单藻块DNA样本进行高通量测序,获得了高质量的双端150 bp测序数据。

  

图片关键词

 

  典型群体形态特征的微囊藻 (a-b) 惠氏微囊藻;(b-c) 片状微囊藻;(c-d) 铜绿微囊藻;90mm培养皿,Nikon D7000单反相机拍摄 (60 mm) | Algae-Hub

  根据实验对象,课题组设计了一个针对蓝藻群体颗粒的分析流程。

  

图片关键词

 

  微囊藻群体颗粒的宏基因组分析流程示意图

  该研究结合单分子多重置换扩增 (Multiple Displacement Amplification, MDA)技术,从方法学上建立了一套可以从单物种微囊藻群体颗粒中获得高质量共生细菌基因组序列的方法。

  对铜绿微囊藻、惠氏微囊藻和片状微囊藻的单群体颗粒进行了深度分析研究,获得了8个种群基因组,并且进一步将其中6个提炼成高质量的基因组(完整度 > 90%)。

  4、从宏基因组学的角度思考微囊藻属的分类

  利用STAMP软件绘制六个样本的物种属水平的聚类热图,结果显示,相同物种的宏基因组表现出很高的相似性。

  不同微囊藻种类之间宏基因组具有明显差异。相对而言,两个片状微囊藻的宏基因组之间比铜绿微囊藻和惠氏微囊藻宏基因组之间更加接近。

  

图片关键词

 

  不同微囊藻附生细菌的丰度热图

  该研究证明微囊藻属内种之间存在一定的宿主特异性(host specificity)。进一步的功能和代谢通路分析也表明,3个物种之间的附生细菌不但存在群落层面的宿主特异性,而且在功能上也具有一定的特异性。

  微囊藻在种水平上的分类存在一定争议,有学者认为应该把大部分种类归为铜绿微囊藻;而蓝藻分类的多相学手段已经被普遍接受,除了形态学,还应包括生理学、生物化学、遗传学等其他指标。鉴于此,蓝藻附生细菌、功能基因和代谢通路等研究对象,或许可以为水华蓝藻物种类群的分类提供新的借鉴和思考方向!

  参考文献:

  1. Komárek, J., et al., Taxonomic classification of cyanoprokaryotes (cyanobacterial genera) 2014, using a polyphasic approach.Preslia, 2014. 295-335.

  2. Harke, M.J., et al., A review of the global ecology, genomics, and biogeography of the toxic cyanobacterium, Microcystis spp. Harmful Algae, 2016. 54: p. 4-20.

  3. Otsuka, S., et al., A proposal for the unification of five species of the cyanobacterial genus Microcystis Kutzing ex Lemmermann 1907 under the rules of the Bacteriological Code. Int J Syst Evol Microbiol, 2001. 51(Pt 3): p. 873-9.

  4. Tu, J., et al., Obtaining Genome Sequences of Mutualistic Bacteria in SingleMicrocystis Colonies. International Journal of Molecular Sciences, 2019. 20(20): p. 5047.

上一篇:
下一篇: