浙大科研团队制作土壤宏基因组基因相关性网络
发表于2019-08-25 20:09:37
摘要: ? 土壤微生物是元素生物地球化学循环进程及其他土壤生态进程的要害驱动因子。由于土壤结构和组成的杂乱性,土壤微生物生态进程在研讨中一直以来都

 

浙大科研团队制作土壤宏基因组基因相关性网络,解码土壤微生物“黑箱”

 

浙大科研团队制作土壤宏基因组基因相关性网络,解码土壤微生物“黑箱”

 

浙大科研团队制作土壤宏基因组基因相关性网络,解码土壤微生物“黑箱”

 

浙大科研团队制作土壤宏基因组基因相关性网络,解码土壤微生物“黑箱”

 

浙大科研团队制作土壤宏基因组基因相关性网络,解码土壤微生物“黑箱”

? 土壤微生物是元素生物地球化学循环进程及其他土壤生态进程的要害驱动因子。由于土壤结构和组成的杂乱性,土壤微生物生态进程在研讨中一直以来都被作为“黑箱”看待,要清楚阐明土壤生态功用是土壤生态学研讨当时面对的一个严重应战。

近来,浙江大学环境与资源学院徐建明教授团队在微生物学尖端期刊《世界微生物生态学会会刊》(The ISME Journal)上宣布最新效果,他们依据土壤宏基因组信息制作森林土壤宏基因组的基因相关性网络,提醒了宏基因组的功用结构,为猜测宏基因组中基因不知道功用供给了新途径。

这项研讨的榜首作者为浙江大学“百人方案”研讨员马斌博士,参加作者包括浙江大学“外专千人方案”当选者Philip Brookes教授,论文通讯作者为徐建明教授。该论文的世界合作者包括美国芝加哥大学Jack Gilbert教授和比利时鲁汶大学Karoline Faust博士。

从体系生物学得到创意,用宏基因组技能翻开“黑箱”

“黑箱”体系,望文生义便是把某个体系作为一个看不透的黑色箱子,研讨中不触及体系内部的结构和相互联系。很长一段时间,科学家们对土壤微生物生态功用的效果机制研讨也是如此。

这个“黑箱”是这样的——

每克土壤中平均有来自约10万种微生物类群的约10亿个微生物细胞,其间约有99%的土壤微生物类群没有被培育,而大部分土壤微生物类群的基因组也没有测序,也便是说它们的基本功用还不清楚。

那么怎么能够翻开“黑箱”呢?徐建明教授团队运用的利器是宏基因组技能——从环境样品中提取宏基因组进行高通量测序剖析,经过序列片段拼接和数据库比对进行注释。徐建明表明,近年来体系生物学范畴的科学家对一些形式生物细胞进行全基因网络剖析,有许多推动了对细胞功用的知道。“咱们团队从中得到创意,借用体系生物学办法来剖析土壤宏基因中基因网络,然后提高对土壤微生物群落功用的知道。”

用体系生物学的办法研讨土壤宏基因组,刚开始仅仅一种研讨想象。由于两者的研讨目标存在很大的差异:体系生物学中的基因来自单个细胞,而土壤微生物的研讨的宏基因组中的基因来自许多不同的微生物细胞。可是研讨成果表明,宏基因组的基因相关性网络能够精确表征土壤微生物群落生态进程中的基因互作联系。

制作森林土壤宏基因相关性网络

徐建明团队在我国东部从南边热带季雨林到北方针叶林的典型植被梯度带上采集了45个土壤样品,依据高通量测序获取宏基因并依据依据丰度矩阵构建相关性矩阵,然后得到基因相关性网络。

这张网络,其实是知道土壤微生物生态功用的“地图”——

网络包括5421个基因节点,7191个正相关网络衔接和123个负相关网络衔接。科研人员依据网络拓扑结构将网络节点划分为27个基因聚落,各基因聚落中首要包括了与特定功用相关的基因,且各基因聚落的中心节点都能代表地点聚落的功用。

(土壤宏基因组基因相关性网络图)

科研人员发现,基因聚落之间的衔接联系反映了土壤宏基因组中与细胞结构密切相关的多级结构特征,阐明土壤微生物群落功用特征遭到细胞水平基因功用进程的调控。网络中的正相关衔接首要指示了基因的功用关联性,而负相关衔接则指示了细胞生物进程中潜在的功用调控进程。

论文评阅人表明,该研讨将体系生物学中网络的概念应用于高度杂乱的环境样本是该范畴开展的重要一步,赞赏了该研讨中严厉的网络衔接构建进程。

不知道基因功用猜测,为未来研讨“扫盲”

宏基因组中依然有许多基因的功用仍是不知道的,而基因相关性网络中参加相同生态功用进程的基因会有严密的网络衔接,因而,徐建明教授团队就提出,能够使用功用不知道基因在基因相关性网络中的相邻网络节点来猜测宏基因组中基因的不知道功用。

要怎么才干验证猜测的功用是否精确呢?体系生物学研讨中,单个细胞内的验证比较简单,能够经过敲掉某个基因来做对照试验。而土壤的群落研讨中,科研人员不知道这个基因来自哪些细胞,因而无法“敲除”。怎么办?为了验证猜测的基因功用,徐建明教授团队经过基因序列核算得出蛋白结构,经过与蛋白结构数据库比对,从而比对现已标示功用。成果发现经过基因相关性网络猜测的功用基因与经过蛋白结构猜测的功用高度一致,验证了经过基因相关性网络猜测的成果的精确性。遭到一些研讨的约束,马斌表明,当时的猜测还有必定的约束规范,那便是要在聚落中与必定数量的基因有衔接,才高水准的猜测。

关于功用猜测的含义,徐建明表明,科学探究的道路上,榜首步便是想知道“是什么”,他们的研讨供给了一个注释不知道的途径。经过猜测补充数据库,对后边研讨者扫清了迷雾。历经2年的研讨,徐建明表明,团队的这项解码土壤“黑箱”的研讨,关于清晰土壤对碳氮的转化、污染物的降解等机理有了进一步的了解,对知道土壤有深入的含义。

该研讨得到了国家自然科学基金立异研讨集体项目(41721001)、国家自然科学基金世界合作重点项目(41520194001)等赞助。

(文 柯溢能/拍摄 卢绍庆)

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