利用以基因組為中心的宏基因組學方法從微生物組數據中發現新見解

Abstract

過去十年，隨著高通量核酸定序和生物資訊學技術的快速發展，宏基因體定序數據已被廣泛用於探索微生物基因體。此高通量核酸定序法解決了傳統微生物學方法難以解決的重大問題，例如，宏基因組霰彈槍定序使我們能推測難以培養的微生物其潛在功能和生理特徵，這些知識無法透過培養其微生物而獲得。 宏基因體技術的發展使我們能從複雜群落中組裝微生物基因體，並研究這些微生物基因體的特徵，這種方法稱為以基因組為中心的宏基因體學。透過宏基因體學，我們能深入了解生態系統中各個微生物的潛在作用。雖然該方法在微生物研究中已提供許多新知識，但與從純培養物中組裝的基因體相比，從微生物群體中組裝的基因體的品質通常較差。本論文應用了多種方法來解決此困境，第1章簡介了當代以基因組為中心的宏基因組學方法的實踐、應用和問題，第2章描述了珊瑚骨骼中Prosthecochloris基因體的組裝，第3章描述了結合短讀長與長讀長定序法以取得星野黑皮海綿中藍綠菌的完整基因體，第4章敘述了應用短讀長與長讀長定序法從複雜微生物群落中取得數個高品質的微生物基因體，第5章總結並討論了此論文的結果。 第2章成功組裝了珊瑚骨骼中Prosthecochloris基因體。先前的研究顯示，有一群綠硫菌－Prosthecochloris－廣泛存在珊瑚骨骼中，其有共通的親緣關係，故被稱為coral-associated Prosthecochloris (CAP)。其可能在維持珊瑚健康方面扮演重要角色。然而，尚未有CAP能被培養，此外從珊瑚骨骼宏基因組中取得的 CAP 基因體的品質很差，使我們難以藉由此基因體分析探索 CAP 的假定功能。因此，在這項研究中，我從珊瑚骨骼培養中重建了高品質的 CAP 基因體，並基於其基因體描述此細菌的特徵進而提出了其可能的共生作用。 第3章為關於星野黑皮海綿中藍綠菌的基因體組裝。短讀長之宏基因組數據的組裝通常使我們獲得高度片段化的序列。高片段化的序列會丟失有關基因順序的訊息並阻礙我們取得高品質的基因體。例如，在以短讀長定序組裝珊瑚殺手星野黑皮海綿的微生物基因體時，我們只能取得碎片化的基因體，並且基因體含有自其他物種的序列污染，此影響了我們對於星野黑皮海綿內藍綠菌的研究。在本論文中，我結合 Nanopore 和 Illumina 定序平台來獲取星野黑皮海綿內藍綠菌的完整基因體。 第4章描述了以Nanopore 和 Illumina 定序平台從複雜微生物群落中取得數個高品質的微生物基因體。星野黑皮海綿內藍綠菌的完整基因體之取得表明了使用混合平台的實用性。然而，從具有復雜微生物群落的宏基因體中取得基因體較為困難。在此，我發展了一種新的分析流程。我結合 Nanopore 和 Illumina 序列，從復雜的微生物群落中取得高品質的微生物基因體。我應用了此新的分析流程，並成功地組裝來自一個不完全對流湖中數百個新的微生物基因體。此結果表明該分析流程的實用性。最後，第5章總結了本論文的結果，並討論各未來研究的方向。