宏基因组测序技术可以挖掘99%不可培养的微生物，可用于解析环境微生物的群落结构、物种组成、系统进化、基因功能和代谢网络等。该技术不仅在人体肠道菌群等医学领域被应用的如火如荼，在动植物研究中也稳居“C位”。今天一起来看看宏基因组是如何在动植物研究中一展神通的吧！
一、动物肠道菌群
肠道微生物群的变化与动物机体的健康紧密相关，肠道微生物群可调控动物机体内能量代谢、异源物质代谢，修复细胞和提高机体免疫机能。目前，已发表的动物肠道菌群相关研究已达数百篇，主要为家养动物（48.2%），其次是模式动物（37.5%），野生动物的研究最少（14.3%）[1]。宏基因组测序技术可系统阐明动物肠道微生物菌群的分布、不同胃肠道部位的优势菌属和差异菌群，从而为探讨动物消化机制、肠道菌群与宿主关系、肠道疾病控制和预防、健康养殖以及饲料配方的研制提供技术理论支持。
1. 案例一：山羊肠道中分解木质纤维素微生物基因组和功能分析
发表时间：2021年2月
发表单位：美国加州大学等
发表期刊：Nature Microbiology
影响因子：15.540
1）研究背景
食草动物的消化道是一个复杂的厌氧微生物群落的栖息地，它们共同分解木质纤维素。目前研究发现大部分发挥生物质降解酶功能的都是细菌，厌氧真菌在食草动物肠道微生物群中的作用还有待研究。
2）材料方法
对四种基质（苜蓿、甘蔗渣、芦苇金丝雀草和木聚糖）和两种抗生素处理（氯霉素、青霉素-链霉素）的山羊粪便样本进行16S、18S、ITS扩增子、宏基因组测序和代谢组学研究。
3）研究结果
（1） 宏基因组测序得到2452个高质量的细菌和古菌MAGs（Metagenome-Assembled Genomes）和18个基因组大于40Mb的真菌MAGs。这些细菌和古菌MAG中有719个在种水平，90％以上均是以前未鉴定的草食动物肠道微生物。这些真菌MAGs中有73%是完整的。
（2） 厌氧真菌占主导地位的微生物群落在甲烷产量和纤维素降解程度上均优于细菌占主导地位的微生物群落，表明真菌在甲烷释放中起着重要作用。
（3）真菌和产甲烷菌之间的联合作用能够产生醋酸、甲酸盐和甲烷，而细菌主要产生短链脂肪酸。厌氧细菌和真菌主要采用互补的水解策略。
2.案例二：宏基因组测序揭示候鸟体内微生物组和抗性组
发表时间：2020年3月
发表单位：中科院北京微生物所等
发表期刊：Microbiome
影响因子：11.607
1）研究背景
抗生素耐药的病原菌对全球人类和动物的健康具有很高的威胁。近年来，人类和动物肠道微生物中抗生素耐药基因（ARGs）储存库的研究备受关注。然而，候鸟肠道微生物的群落结构和功能以及它们携带的ARGs仍是未知的。
2）材料方法
对10种鸟类的103个粪便样本和99个其他样本（人粪便、家畜粪便、土壤、废水、鱼塘水体等）进行宏基因组测序。
3）研究结果
（1） 不同种类的候鸟种群的肠道细菌组成有很大的差异，但其微生物群的代谢和功能是相似的。
（2）在所有候鸟粪便样本中共鉴定出对四环素、氨基糖苷类、β-内酰胺类、磺胺类、氯霉素类、大环内酯类、林可酰胺类、链霉素类和喹诺酮类耐药的1030种不同的ARGs。不同候鸟物种所携带的ARGs组成结构具有显著的差异，说明宿主的系统发育可能是其肠道菌群抗性组差异的主要驱动力。
（3）大多数候鸟中ARGs的主要宿主均为变形菌。emrD、Emry、Ant(6)-Ia和Teto是ARGs网络的枢纽，可以用这几个ARGs评估其它相关ARGs的丰度。
（4）与环境微生物群相比，鸟类粪便微生物组中含有最低的系统发育多样性，但是却具有最多的ARGs。鸟类是新型β-内酰胺酶的储存库。
二、植物根际微生物
地下根系-土壤-微生物之间的相互作用极为复杂，对地上植物的生长、健康及适应性至关重要。根际被称为是植物的“第二基因组”，是根系-土壤-微生物相互作用研究的热点。植物的根际的有效管理具有增加农作物产量的潜力。根分泌大量的固定碳作为分泌物，它们也沉积根冠边缘细胞和多糖粘液。因此，根际对微生物来说是一个极具吸引力、营养丰富的环境。宏基因组测序技术可挖掘根际土壤中巨大的微生物资源，从而揭示土壤养分循环、根系与微生物互作等重要调控机制。目前基于宏基因组测序技术进行植物根际微生物组研究的植物主要是模式植物和主要作物，其他植物根际微生物组研究才刚刚开始。
1.案例一：水稻NRT1.1B基因调控根系微生物组参与氮利用
发表时间：2019年6月
发表单位：中国科学院遗传与发育生物学研究所等
发表期刊：Nature Biotechnology
影响因子：31.50
1）研究背景
目前，模式植物和作物的根系微生物群落结构已经被各学者进行广泛研究。根不同区域、土壤类型、地理位置、营养状态、发育阶段和宿主基因型对植物根系微生物均有影响，然而在植物群体水平遗传因素对根系微生物组的影响至今仍不清楚。
2）材料方法
对来源于44个国家的68个籼稻品种和27个粳稻品种的根系土壤样本进行16S扩增子测序；对3个ZH11野生型和3个nrt1.1b突变的根样本进行宏基因组测序。
3）研究结果
（1）籼稻和粳稻的根际微生物群落结构显著差异，籼稻更富集δ-变形菌纲，而粳稻更富集α-变形杆菌纲。籼稻根系富集的氮循环相关的微生物种类比粳稻更富集，具有更活跃的氮转化环境；根际微生物组可以作为区分籼粳稻的生物标志。
（2） 水稻通过NRT1.1B调控根系具有氮转化能力的微生物，改变根际微环境，影响籼、粳稻田间氮肥利用效率。
（3）通过高通量微生物分离培养，获得了水稻根系70%的细菌种类，建立了首个系统性水稻根系细菌资源库。
2.案例二：根际微生物组织结构改变使番茄具有青枯病抗性
发表时间：2018年10月
发表单位：延世大学和东亚大学等
发表期刊：Nature Biotechnology
影响因子：31.50
1）研究背景
番茄品种Hawaii 7996对土壤传播的病原体青枯雷尔氏菌具有抗性，而Moneymaker品种对病原体敏感。番茄发病过程中，根系微生物组在番茄抵抗病原菌的机制尚不清楚，植物相关微生物在抗病性中是否发挥作用，有哪些微生物参与了抗病过程也尚未明确。
2）材料方法
番茄品种Hawaii 7996和Moneymaker品种的根系土壤进行16S扩增子测序和宏基因组测序。
3）研究结果
（1）抗病品种Hawaii7996和易感品种Moneymaker的根际微生物有明显差异。在抗病品种中特异性的富集黄杆菌。
（2）将抗性品种的根际微生物移植到非抗性品种根际能够缓解植株的疾病症状。该结果可能是抗病品种分泌到土中具有抗病原菌作用的分泌物，也可能是抗病品种特异性富集了一些有益微生物。
（3）从宏基因组数据中Binning出了两组显著差异的黄杆菌基因组，大小约4.1M，命名为TRM1。采用特殊的培养基分离纯化出了TRM1。
（4） TRM1不能对青枯菌的生长产生抑制作用。但是将这种菌添加至植物根系后，植物对青枯菌的抗病性增强，并且受浓度的影响。
目前动物肠道菌群及植物根际微生物仍有很多未解之谜，这需要科研工作者们进一步深度挖掘和探索。贝瑞基因致力为您提供更加全面的微生物组学解决方案。
参考文献
1. Pascoe Emily L, Hauffe Heidi C, Marchesi Julian R et al.Network analysis of gut microbiota literature: an overview of the research landscape in non-human animal studies.[J].ISME J, 2017, 11: 2644-2651.
2. Peng Xuefeng, Wilken St Elmo, Lankiewicz Thomas S et al.Genomic and functional analyses of fungal and bacterial consortia that enable lignocellulose breakdown in goat gut microbiomes.[J].Nat Microbiol, 2021.
3. Cao Jian, Hu Yongfei, Liu Fei et al. Metagenomic analysis reveals the microbiome and resistome in migratory birds.[J].Microbiome, 2020,8: 26.
4. Zhang Ruifu, Vivanco Jorge M, Shen Qirong, The unseen rhizosphere root-soil-microbe interactions for crop production.[J].Curr OpinMicrobiol, 2017, 37: 8-14.
5. Zhang Jingying, Liu Yong-Xin, Zhang Na et al. NRT1.1B is associated with root microbiota composition and nitrogen use in field-grownrice.[J].Nat Biotechnol, 2019, 37: 676-684.
6. Kwak Min-Jung, Kong Hyun Gi, Choi Kihyuck et al. Author Correction: Rhizosphere microbiome structure alters to enable wilt resistance in tomato.[J] .Nat Biotechnol, 2018,36: 1117.