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高通量测序 数据分析解释_百度文库
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高通量测序 数据分析解释
&&对初接触高通量测序数据分析时,比较好的资料,可以帮助理解其中的数据分析,以及每个数据的具体意思,帮助入门。
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>&>16S rRNA/ITS基因测序
或PE150),对人的肠道、动物肠道、土壤、水体等环境微生物的16S/18S/ITS进行测序,结合公共数据库Nt,Silva,Greengene(可选)进行生物信息分析,揭示各种环境中的菌群结构及变化趋势。&
无需培养分离菌株,直接从环境样本中扩增rRNA可变区,解决了大部分菌株不可培养的难题。
客观还原菌群结构,专业、成熟的样本制备流程,客观还原样本本身的菌群结构及丰度比例。
痕量菌检测,充分发挥高通量测序的大数据量优势,能检测出丰度低至万分之一的痕量菌。
两地地理位置和气候相似,单作物生长状况却不一样,是否土壤中的微生物群有很大影响呢?
研究证实,肠道微生物会导致严重的肠道疾病,那么这些易患肠道疾病的人群其肠道微生物会是怎样的状况呢?
海底活火山附近的微生物和其他地方的有没有什么不一样?会不会有新的耐受极端环境的微生物?
1. DNA样本
OD260/280介于1.8至2.0之间,浓度>15ng/ul, 体积>10ul的DNA, 并告知提取DNA所用的方法;
填写完整的送样清单和DNA电泳检测电子照片, 用自封袋密封后随同样品一起送样;
样品保存期间切忌反复冻融,送样管务必标清样本缩号,管口用Parafilm膜密封, 防止污染。
&2. 环境样品
采样后务必立即封存样品(冷冻保存,推荐液氮处理),土壤、 粪便、 污泥、 海水沉积物等样品>1g, 植物树枝叶片、 堆肥等>100g;
样品保存期间切忌反复冻融, 送样使用干冰运输;
请填写完整的送样订单, 用自封袋密封后随同祥品一起送样。
3. PCR产物
按照提供的PCR实验要求进行引物设计和PCR扩增,产物需要经琼脂糖电泳切胶纯化回收;
PCR产物浓度>10ng/ul,总量>200ng, OD260/280介于介于1.8至2.0之间, 样品保存期间切忌反复冻融;
送样管务必标清样品编号,管口用Parafilm膜密封,防止污染,送样时使用干冰运输;
请填写完整的送样订单,提供PCR产物纯化前后的电泳检测图片,用自封袋密封后随同样品一起送样。
1 &OTU生成及分类学注释
2 &Alpha多样性分析
& & & & & & & & & & & & & & & & & & & 稀释曲线 & & & & & & & & & & & & &Simpson指数分析 & & & & & &Shannon指数分析 & & & & & Rank Abundance指数分析
3 &物种组成及OUT差异分析
& & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & &&&
& & &样本内微生物在纲层次的物种组成比例饼图& 各样本微生物在门层次的群落结构分析柱状图& OUT分布差异venn图 & & & &OUT及物种丰度热图
4 &样本间相似度比较
& & & & & & & & & & & & & & & 聚类树图& & & & & & & & & & & & & & & & & & & &相似性热图& & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & PCoA分析
5 &高级分析及个性化分析
& & & & & & & & & & & & & & & & & CCA/RDA分析& & & & & & & & & & & & & & & &丰度位于前40的物种分布和丰度情况& & & & & & & & & &高丰度 OUT系统发育进化树& && & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & &
北京经济技术开发区永昌北路3号707
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& |& & |& & |& & |&应用高通量测序技术研究柽柳、獐茅土壤真菌多样性
应用高通量测序技术研究柽柳、獐茅土壤真菌多样性
应用高通量测序技术研究柽柳、獐茅土壤真菌多样性
WANG Yan-yun,
GUO Du-fa.
The Application of 454 High-throughput Sequencing Technology into Anlaysing the Diversity of Soil Fungi in the Field Planting Tamarix chinensis and Angiospermae
收稿日期:
应用高通量测序技术研究柽柳、獐茅土壤真菌多样性[J]. 生物技术通报, ): 48-53
WANG Yan-yun,
GUO Du-fa.
The Application of 454 High-throughput Sequencing Technology into Anlaysing the Diversity of Soil Fungi in the Field Planting Tamarix chinensis and Angiospermae
[J]. Biotechnology Bulletin, ): 48-53
应用高通量测序技术研究柽柳、獐茅土壤真菌多样性
山东师范大学地理与环境学院,济南
基金项目: 山东省自然科学基金项目(ZR)
作者简介:
王艳云,女,硕士,研究方向:黄河三角洲土壤真菌;E-mail:
郭笃发,男,教授,研究方向:黄河三角洲土壤微生物与重金属;E-mail:
摘要: 应用454高通量测序技术对柽柳和獐茅地土壤真菌种类及多样性进行研究,并对其进行真菌多样性指数和相似性分析,为黄河三角洲真菌多样性深入的研究和盐碱地的改良提供基础数据和理论依据。结果表明,4个土样共获得5门17纲37目48科51属。OTU数和多样性指数表明:柽柳上层(C1:0-20 cm)土壤真菌多样性最丰富,其OTU数、Shannon指数、Chao1指数分别是獐茅下层(Z2:20-40 cm)相应指数的1.7倍、1.2倍和2.4倍。距离热图分析表明,Z1和Z2真菌群落间的相似性最大,Unifrac metric值为0.269 9;C1和C2真菌群落间相似性最小,Unifrac metric值为0.690 2。柽柳地土壤真菌较獐茅地土壤真菌丰富。
黄河三角洲&&&&
真菌多样性&&&&
The Application of 454 High-throughput Sequencing Technology into Anlaysing the Diversity of Soil Fungi in the Field Planting Tamarix chinensis and Angiospermae
WANG Yan-yun
College of Geography and Environment,Shandong Normal University,Ji’nan
Abstract: The study,which was related to the variety and diversity of soil fungi in the field planting Tamarix chinensis and Angiospermae,and the corresponding analysis of fungal diversity index and similarity were conducted by applying 454 high-throughput sequencing technology. It is aimed at providing the basic datas and theoretical gist for the futher study into the diversity of fungi in Yellow River Delta and the improvement of saline-alkali soil. And the result indicated four soil samples were divided into 5 phyla,17 classes,37 orders,48 families and 51 genus. The OTU number and diversity index showed that the diversity of soil fungal diversity was the richest in Tamarix chinensis surface(C1:0-20 cm),which was accordingly 1.7 times,1.2 times and 2.4 times of OTU number,Shannon index and Chao1 index in Angiospermae substratum(Z2:20-40 cm). In addition,the analysis of the distance heat map indicated the fungal communities of Z1 and Z2 had the most similarity,whose Unifrac metric value was 0.269 9 and the fungal communities of C1 and C2 have the least similarity,whose value was 0.690 2. In a word,the soil fungi in the field planting Tamarix chinensis was richer than one in the field planting Angiospermae.
Key words:
The Yellow River Delta&&&&
Tamarix chinensis&&&&
ngiospermae&&&&
fungal diversity&&&&
黄河三角洲是我国暖温带保存最完整、最广阔和最年轻的湿地生态系统,在北方河口湿地中具有代表性,地处渤海之滨的黄河入海口,土壤盐碱化尤为严重[, ]。盐碱土是盐土(含有可溶性盐分较高)和碱土(含有代换性钠较多)的总称,二者在形成上联系密切,常交错分布,所以,统称为盐碱土[]。作为中国最主要的中低产田的土壤类型之一[],盐碱土限制了植物生长,同时,独特的土壤条件造就了特殊的植被类型:盐生植物。柽柳和獐茅作为典型的盐生植物[-],在黄河三角洲具有代表性,前人对它们的研究多集中在植被本身的耐盐机制[-],而目前关于黄河三角洲生物多样性方面的研究则主要集中在土壤、动物植被分类、植物群落物种组成及多样性梯度变化等方面[, ],但这些研究都不是以植被下土壤微生物多样性为研究目的。
土壤真菌数量巨大,种类繁多[-]。传统的培养法遗漏了土壤中绝大多数真菌,难以反映真菌群落多样性全貌。分子指纹图谱如变性梯度凝胶电泳(denatured gradient gel electrophoresis,DGGE)和末端限制性片段长度多态性(terminal-restriction fragment length polymorphism,T-RFLP)方法虽然具有高通量的优势,能够指示不同群落结构的差别,但对微生物的认识也是有限的[, ]。克隆测序的方法虽然能给出微生物群落的更多信息,但与土壤真菌巨大的多样性相比,克隆文库显得太小,提供的信息仍然偏少。454高通量测序技术拥有数据产出通量高、获得信息丰富、快捷和读长长等优点,使人们有能力研究高度复杂的真菌群落和稀有的微生物类群,因此454高通量测序技术越来越多地被应用于土壤微生物生态学研究中[-]。454高通量测序是一种利用DNA乳胶扩增系统和皮升体积的焦磷酸的测序方法,其主要原理是[],独特的短DNA片段与一个特别设计的DNA捕获磁珠结合,用扩增试剂使其乳化成微反应体系(包含有一个磁珠和一个独特DNA片段)并确保每个反应体系都是DNA单拷贝。DNA片段在各自反应体系中发生扩增反应后打破乳化体系,随后将带有PCR产物的磁珠放入只能容纳单个磁珠的PTP(pico titer plate)板中开始测序。
本研究利用454高通量测序技术对黄河三角洲柽柳和獐茅地土壤真菌进行研究,探讨两种典型盐生植物下土壤真菌物种种类、多样性的变化规律,对丰富我国的物种资源、保护生物多样性具有重要意义,以及为本区真菌多样性深入研究和盐碱地的改良提供基础数据和理论依据。
材料与方法
实验土样采集于黄河三角洲的中心城市——东营市河口区,在柽柳及獐茅地各选取有代表性的3个地点进行采样,具体操作是在每个地点(共6个)的0-20 cm和20-40 cm深度各取样1次(尽量避免雨季采样),共获得12个土样。将在多个地点采集的土壤分别进行充分混合,将各土样混匀并除去较大的根系等杂物后,对获得的4个土样进行编号:C1(柽柳:0-20 cm)、C2(柽柳:20-40 cm)、Z1 (獐茅:0-20 cm)和Z2(獐茅:20-40 cm)。放入液氮罐带回实验室,保存在-80℃条件下,用于生物信息学分析。
土壤DNA提取
土壤样品DNA的提取采用Omega DNA提取试剂盒(D5625-01),依据试剂盒操作说明书进行操作。
PCR扩增体系(50 μL)包括:模板DNA 10 μg、10×buffer、0.4 mmol/L dNTP(0.5 μL)、5 U/μL Taq DNA聚合酶(0.5 μL)、1 μL Bar-PCR primer F(50 μmol/L)、1 μL primer R(50 μmol/L)。PCR扩增条件为:94℃预变性5 min;95℃变性45 s,57℃退火30 s,72℃延伸45 s,30个循环;最后72℃延伸5 min。
PCR扩增用Roche 454FLX 测序平台的通用引物,包括:18S F引物(5′-CGTATCGCCTCCTCGCGCCATCAG+bar+CAGTAGTCATATGCTTGTCT-3′)、18sR引物(5′-CTATGCGCCTTGCCAGCCCGCTCAGGCTGCTGGCACCAGACTTGC-3′)。
将PCR产物在1%(m/v)的琼脂糖凝胶中电泳,电泳测定后采用上海生工琼脂糖回收试剂盒(cat:SK8131)对DNA进行回收。使用Qubit(R) 2.0荧光剂对回收产物进行定量处理。使用罗氏公司454测序仪(Roch GS FLX sequencer)进行测序。
去除非靶区域序列后,然后用uchime对得到的质量文件做进一步处理,去掉测序质量不好的序列,并对序列长度进行筛选,只保留长度在400-600 bp的序列;采用软件uclust将相似性大于97%的序列归为同一种可操作分类单元(OTU),从每个OTU中选择代表性序列,与NCBI的GenBank进行Blast比对,确定真菌序列的分类信息,获得门、纲、目、科和属各水平下的分类单元。
计算土壤真菌的多样性指标:香农指数(Shannon Index)、Chao1指数、Coverage 等。
Shannon指数计算公式:H=-(ni/N)log(ni/N)
其中:ni=峰面积,N=所有峰的总面积[, ]。
Chao1由Chao(1984)最早提出。计算公式=Schao1=Sobs+n1(n1-1)/2(n2+1),Schao1=估计的OTU数;Sobs=实际OTU数;n1=只有一条序列的OTU数目;n2=只有两条序列的OTU数目。
Coverage:是指各样品文库的覆盖率,其数值越高,则样本中序列没有被测出的概率越低。该指数实际反映了本次测序结果是否代表样本的真实情况。计算公式为:C=1-n1/N,n1=只含有一条序列的OTU的数目;N=抽样中出现的总的序列数目。
基于Unifrac metric来比较多组样本之间的差别度量。Unifrac metric是一种基于系统发育树的计算值,可很好的用于衡量样本间物种组成的相似度[],值在0-1之间,值越小说明样本间相似度越高。
数据预处理结果
为获取更多土壤真菌群落多样性信息,利用454高通量测序技术对真菌18S rRNA进行扩增,序列比对后分析种群多样性和结构组成。经序列质量筛选,去除碱基错配、缺失、含(N)序列和短序列等,使得质控之后序列长度大部分分布在400-600 bp之间,且C1、C2、Z1和Z2土壤真菌高质量序列数分别为4 468、4 921、6 859和7 439条,满足基本分析要求,可用于进一步的生物信息学分析。
土壤真菌种类分析
本研究共获得5门(亚门)17纲37目48科51属。在门(亚门)分类水平上属于5个类群(
),主要包括:子囊菌门(Ascomycota)、担子菌门(Basidiomycota)、毛霉亚门(Mucoromycotina)、壶菌门(Chytridiomycota)和球囊菌门(Glomeromycota),其中,子囊菌门在所有样本中的相对丰度为9.01%-75.81%,是最优势门,远远大于次优势门-担子菌门(0.83%-16.39%),表现出非常明显的优势地位。另外,毛霉亚门和球囊菌门在C2土样中不存在。在属分类水平上,优势类群主要包括(相对丰度>1.0%):Diatrype、暗球腔菌属(Phaeosphaeria)、旋孢腔菌(Cochliobolus)、Lulwoana、茎点霉属(Phoma)、绿僵菌属(Metarhizium)、Knufia、被孢霉属(Mortierella)、毛霉菌属(Mucor)。其中最优势属是Diatrype,它在C1、C2、Z1和Z2中的相对丰度依次为:0.11%、0.06%、47.81%和68.67%,而且它的相对丰度远远大于相应土样中的次优势属Phaeosphaeria,具体为:C1中0.11>0.02,C2中0.06>0.04,Z1中47.81>3.14,Z2中68.6>2.27,Diatrype表现出非常明显的优势地位,这与真菌在门中的表现规律一样,说明柽柳和獐茅地中的土壤真菌优势菌群组成相对单一。
图 1 各样地土壤真菌在门(A)及属(B)分类水平上的种类和相对丰度
土壤真菌在不同深度土层上的分布
土壤真菌群落在不同土样上的相对丰度和种类变化,见
。其中,从C1样地中共获得土壤真菌5门39属,相对丰度较高的几种依次是:旋孢腔菌(1.19%)、Knufia(1.05%)、被孢霉属(1.07%)、毛霉菌属(1.81%),其余35属的相对丰度均小于1.0%。从C2样地中共获得土壤真菌3门25属,其中,子囊菌门、担子菌门和壶菌门相对丰度分别为9.01%、0.83%和0.57%;在属水平上,相对丰度较高的只有旋孢腔菌(0.65%),其余24属的相对多度均小于1.0%。从Z1样地中共获得土壤真菌5门40属,相对丰度较高的依次是:Diatrype(47.81%)、旋孢腔菌(3.02%)、暗球腔菌属(3.14%)、Lulwoana (1.08%)、绿僵菌属(1.68%),其余35属的相对丰度均小于1.0%。从Z2样地中共获得土壤真菌5门23属,相对丰度较高的几种依次是:Diatrype(68.67%)、暗球腔菌属(2.27%)、Lulwoana(1.2%)、茎点霉属茎点霉属(1.04%),其余19属的相对丰度均小于1.0%。说明C1和Z1土壤真菌种类较多。
柽柳地中,0-20 cm土壤真菌种类多于20-40 cm土壤真菌种类;同样地,在獐茅地中,0-20 cm土壤真菌种类也多于20-40 cm土壤真菌种类。土壤真菌相对丰度的变化规律与种类上的变化规律基本一致:同一真菌,其在0-20 cm的相对丰度普遍大于20-40 cm的相对丰度。本研究中总体呈现出随土壤深度增加,真菌种类和相对丰度减少的趋势,原因可能是上层土透气性好、营养物质相对丰富。
各土样土壤真菌种类有一定差别(
),只11个属为4个土样所共有。此外,青霉菌属(Penicillium)、盘多毛孢属(Pestalotia)、Cyphellop-hora、Ophiocordyceps、Hemileia、Burgoa、Sistotrema、Powellomyces、毛霉菌属(Mucor)、Conidiobolus、Thamnocephalis这11个属只存在于柽柳地土壤中,所有这11个属在C1中都存在,而C2中只有青霉菌属、盘多毛孢属、Cyphellophora、Hemileia、Burg- oa、Conidiobolus 6个属存在。只存在于獐茅中的属 (共12个)包括:绿僵菌属(Metarhizium)、Halosarph-eia、中国盘菌属(Peziza)、光柄菇属(Pluteus)、Filobasidium、Sakaguchia、Volvariella、裸盖菇属(Psilocybe)、Hannaella、Hyphoderma、Rhizophagus、Funneliformis,其中,Halosarpheia、中国盘菌属、Hannaella在Z2中不存在。
图 2 各土样真菌种类维恩图
土壤真菌多样性分析
柽柳和獐茅地土壤真菌群落多样性结果,见
。采用Mothur软件对群落结构多样性进行分析(
)可知,4个土样中土壤真菌覆盖率均高于89%,表明本次测序深度合理,基本能代表样本的真实情况。柽柳上层土壤OTU(操作分类单元)数最多,为858,獐茅下层土壤OTU数最少为501,前者是后者的1.7倍。4种样地中Shannon指数平均值和Chao1指数平均值由高到低依次为C1>Z1>C2>Z2,其中,C1的Shannon指数平均值和Chao1指数平均值分别是Z2相应指数的1.2倍和2.4倍。由此可见,柽柳地土壤真菌比獐茅地土壤真菌丰富,且柽柳上层土壤真菌多样性最丰富。
表 1 壤真菌群落多样性
柽柳、獐茅土壤真菌的相似性分析
可以看出,Z1和Z2真菌群落间的Unifrac metric值最小,为0.269 9;C1和Z1真菌群落间的Unifrac metric值为0.387 7;C2和Z2、C1和C2真菌群落间的Unifrac metric值分别为0.683 6、0.690 2,说明Z1和Z2真菌群落间的相似性最大,而C1和C2真菌群落间相似性最小。表明柽柳地土壤真菌群落多样性高于獐茅地土壤真菌群落多样性,前者土壤真菌种类较后者丰富。
图 3 各土样真菌群落距离热图
本研究柽柳地和獐茅地土壤采集于黄河三角洲,应用高通量测序技术对其柽柳地上下层和獐茅地上下层土壤真菌种类和多样性进行了研究。
在本研究中,以子囊菌门为主(在C2中相对丰度高达75.81%),其次是担子菌门(在C1中相对丰度最高,仅为16.39%),这与袁超磊等[]的研究结果一致,但本研究共获得5个真菌门,而后者仅仅获得3个(毛霉亚门和壶菌门未获得),这可能与柽柳和獐茅地中含有包括动植物残体的沉积物有关[]。另外,Buée等[]和李超等[]都发现最丰富真菌类群为担子菌门,其次才是子囊菌门,与本研究不同,这种差异可能是由各自土壤在pH、盐分含量和CaCO3含量等性质的不同造成的。
柽柳地和獐茅地中,均是0-20 cm土壤真菌种类多于20-40 cm土壤真菌种类,总体呈现出随土壤深度增加,真菌种类减少的趋势,说明自然状态下土壤的真菌多样性受到土壤垂直分布的影响,优势真菌种群随土壤深度的变化略有差异,与前人研究一致[, ]。
通过多样性和相似性分析可知,柽柳地土壤真菌群落多样性高于獐茅地土壤真菌群落多样性,且柽柳上层土壤真菌多样性最丰富。由前面土壤真菌种类分析可知,獐茅地土壤真菌种类略多于柽柳地,与多样性和相似性分析的结果不一致。这可能是由于多样性和相似性分析均是以OTU为基础,而OTU是通过将多条序列按其序列间的距离对它们进行聚类,后根据序列之间的相似性作为域值分成的操作分类单元,此操作分类单元被认为可能属于属或种,也可以是菌株,所以所得结果有所不同,具体原因有待进一步研究。
本研究共获得5门(亚门)17纲37目48科51 属。在门分类水平上,子囊菌门(Ascomycota)是所有样本中的最优势门,其相对丰度远远大于次优势门担子菌门(Basidiomycota)。在属分类水平上,最优势类群是Diatrype。
本研究中土壤真菌种类和相对丰度总体呈现出随土壤深度增加,真菌种类和相对丰度减少的趋势。
C1土壤真菌的OTU数、Shannon指数、Chao1指数分别是Z2相应指数的1.7倍、1.2倍和2.4倍,且Z1和Z2真菌群落间的相似性最大,C1和C2真菌群落间相似性最小,柽柳地土壤真菌多样性高于獐茅地土壤真菌多样性。
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高通量测序数据分析
    
研究者跨过文库构建这一实验步骤,避免了亚克隆过程中引入的偏差。 依靠后期强大的生物信息学分析能力,对照一个参比基因组(reference genome)高通量测序技术可以非常轻松完成基因组重测序(re-sequence),2007年van...
原理示意图 ? 一、高通量测序的应用 高通量测序可以帮助研究者跨过文库构建这一实验步骤,避免了亚克隆过程中引入的偏差。 依靠后期强大的生物信息学分析能力,对照一个参比基因组(reference genome)高通量测序技术可以非常轻松完成...
?novo)组装、转录组测序、甲基化检测。 ★?高效的样本制备 ??? 高速自动化工作流程以及低样品量要求,可在不到一周的时间内生成数据。 ? 技术应用 ??转录分析 l?mRNA测序(RNA-Seq) ?一次mRNA测序实验即能快速生成以完整...
????? 纳米孔的稳定性和可靠性。 ? ???? 在过去的几年里,第二代测序技术为基因研究做出了杰出的贡献,但是他们普遍存在长度和质量上的缺陷。为实验设计,数据分析和应用带来了不便。第三代测序技术有望克服以上的缺点。测序费用的降低使得过去...
确保了每个序列的高质量、高读长,又兼顾了高通量测序的特性。应用广泛而稳定,在基因组de?novo测序、基因组重测序、目标基因捕获测序、宏基因组测序和RNA测序分析等研究领域发表了上千篇学术论文。 ??获得更全面的数据 每次运行能产生100...
???? 第二代高通量测序仪实现了较廉价和快速的DNA测序方法,但是它们有一个共同的缺点即读出序列(reads)太短,大约在几十个bp到几百个bp。与生物的染色体长度相比,这样长度的reads给下一步的装配工作带来麻烦。看似种类繁多的...
Nature Biotechnology 2009年2月封面文章: 基于安捷伦寡核苷酸序列合成技术的液相序列捕获系统 C 高通量平行靶向测序的最佳解决方案 来自美国麻省理工学院和哈佛大学Broad研究院的研究人员,利用安捷伦...
1、PCR 产物测序时出现重叠峰 问题图1(模板中有碱基缺失,往往是单一位点(1-1)或两个位点(1-2)碱基缺失导致测序 结果移码) 解决方法:将PCR 产物克隆到质粒(如T 载体)中挑单克隆测序,或将PCR 产物进行PAGE 纯化...
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