『锐帮读』放线菌门在木质纤维素分解过程中扮演的角色——宏基因组教你如何分析CAZymes

导读：堆肥中含有一大批具有木质纤维素植物材料降解功能的微生物类群，这些微生物在全球碳循环中发挥重要作用并且是生物催化剂生产生物燃料的潜在资源。先前很多研究揭示了堆肥微生物的多样性，但这些微生物的功能以及与编码木质纤维素酶基因之间的关系尚不明确。本研究利用宏基因组技术，分析堆肥的水稻秸秆中微生物多样性及相关的系统和功能图谱。

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文献ID

标题：Metagenomic analysis of microbial consortia enriched from compost: new insights into the role of Actinobacteria in ligncellulose decomposition

译名：堆肥菌群的宏基因组分析：放线菌门在木质纤维素分解中扮演的角色

期刊：Biotechnology for Biofuels

发表时间：2016IF：6.044

通讯作者：Weixiang Wu

单位：浙江大学环境科学与技术学院

材料与方法

样品来源

用水稻秸秆作为堆肥原料，30天后收集堆肥样品（RSA），共1份，提取DNA，分别进行16S测序和宏基因组测序。

测序手段

16S V1-V3区测序，宏基因组测序。

研究成果

1. 研究发现水稻秸秆堆肥30天后，干质量减少了31.5%，而这主要是纤维素和半纤维素降解造成的，该结果支持了“堆肥中含有一大批可分解纤维素的微生物类群”的说法。

2. 16S分析表明，RSA中微生物在门水平的top5优势物种分别是放线菌门、变形菌门、厚壁菌门、绿弯菌门和拟杆菌门（图1）。进一步通过宏基因组手段进行种水平优势物种的鉴定，发现Thermobispora bispora、海洋红噬热盐菌、Sphaerobacter thermophilus以及弯曲高温单孢菌相对丰度最高。这些高丰度嗜热菌的存在可能与高温堆肥条件下生物质降解活动增强有关。

图1. RSA中微生物组成柱状图

3. Network网络分析结果表明RSA中微生物结构与其他拥有纤维素降解功能的动物（牛、白蚁、熊猫、袋鼠）瘤胃微生物结构显著不同（图2），这主要归咎于环境因素不同，堆肥需要高温、弱碱和好氧环境。但RSA与柳枝稷微生物组成很相近，都有占较大比例的放线菌门。

图2. RSA与其他动物瘤胃样品Network网络图

4. 为了解微生物参与的代谢路径，文中分别采用COG和KEGG方法进行功能注释。从图3不难看出，两种方法功能注释结果较相近，RSA中微生物主要参与通用功能、氨基酸转运代谢、转录、碳水化合物转运代谢、膜转运以及外源性物质生物降解等生物学过程。

图3. 微生物功能注释结果

5. 为了更好地理解碳水化合物代谢在堆肥生态系统中的作用，进一步对RSA中的基因进行碳水化合物活性酶（CAZymes）功能注释，共发现4810种不同的CAZymes基因，这些基因主要编码糖苷水解酶、碳水化合物结合组件、多糖裂解酶、碳水化合物酯酶和糖基转移酶。上述发现表明RSA中碳水化合物代谢在堆肥生态系统中十分活跃。将CAZymes基因与微生物群落进行对应分析，结果表明CAZymes基因主要在放线菌门、变形菌门、厚壁菌门、绿弯菌门和拟杆菌门中被发现，其中放线菌门中的CAZymes占据主导地位（图4）。

图4. CAZymes基因的系统分布

6. 最后，详细研究了微生物在纤维素、半纤维素降解以及纤维素、半纤维素、果胶和木质素生物转化中的作用。微生物主要通过CAZymes参与纤维素、半纤维素降解等生物学过程。参与纤维素降解的CAZymes主要有纤维二糖水解酶、内切葡聚糖酶和β-葡糖苷酶。参与半纤维素降解的CAZymes主要有乙酰木聚糖酯酶、阿拉伯呋喃糖酶、β-木糖苷酶、α-葡糖醛酸酶、木聚糖内切酶和牛乳糖苷酶。参与果胶降解的CAZymes主要有鼠李糖苷酶、果胶裂解酶、聚半乳糖醛酸酶、牛乳糖苷酶和阿拉伯呋喃糖酶。通过将微生物类群、CAZymes基因以及代谢通路进行对应，发现放线菌门在纤维素、半纤维素降解以及果胶和木质素生物转化中起最主要作用（图5）。

图5. 微生物降解纤维素和半纤维素图谱

研究结论

本研究证明了嗜热放线菌在木质纤维素生物降解中的关键作用。不仅揭示了降解木质纤维素的微生物酶结构的新基准，而且强调了放线菌可作为生物燃料工业中开采有效的木质纤维素降解酶的潜在候选物。

亮点

1. 本研究属于典型的小样本量16S与宏基因组联合研究；

2. 文中在堆肥微生物参与的代谢功能上进行了深入分析，不是笼统地陈述所有的代谢功能，而是有特异性地研究纤维素、半纤维素降解通路；

3. 发现放线菌门在木质纤维素降解过程中扮演重要角色，可作为生物燃料工业中开采有效的木质纤维素降解酶的潜在候选物。

锐翌基因服务

1. 锐翌基因采用Illumina HiSeq PE250测序策略对16S rDNA 的V3+V4或多种单可变区进行测序，数据质量更高(Q30≥90%)，测序通量显著提高；升级版后的分析内容，更加全面，并在原有的分析基础上提供自己的特色分析，给各位新老客户完美的测序体验。

2. 宏基因组测序采用最新的Illumina Hiseq平台，并具有以下优势：

• 全面的技术策略：采用Illmina Hiseq平台，测序策略为PE150。对测序序列组装，得到微生物群落结构的基因信息，分析微生物群落结构的基因、功能基因及物种多样性，探讨微生物群落与宿主之间的相互关系等。

• 更合理的分析方法：增加了最前沿的CAG和MGS等宏基因组分析方法，深入挖掘样品中的信息。

• 多选择的功能基因注释数据库：KEGG、eggNOG、CAZY、ARDB、SEED等。

供稿：王颖颖

编辑：王丽燕

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