随着科学家对生命的奥秘探索越来越深入，多组学数据整合分析已然作为常规手段广泛应用于生命科学各领域。基因组学揭示遗传背景，转录组学展示基因表达，调控组学助力调控机制研究，蛋白组学直观探索蛋白表达规律，代谢物组学作为信号放大器更是可以让我们看到一系列分子互作的结果最终反应在代谢产物上的变化。除此之外，还有表观组学、单细胞、ATAC 等研究领域。想要更加清晰地了解生物学过程的复杂性和整体性，多组学联合分析能够提供很大的便利，动植物研究是如此，微生物研究亦是如此。

今天与您分享，针对环境微生物展开多组学研究最常用的两大基础组合策略。

16S/宏基因组 + 代谢组

对于环境微生物研究，16S/宏基因组是基础研究手段，它可以清楚地展示微生物的组成、丰度及相关功能信息。在此基础上，如果想进一步探究微生物对环境的影响、宿主次生代谢物对微生物的影响、微生物菌群参与的多种代谢调控途径等问题，代谢组学就是一个「神助攻」，它建立了微生物与环境之间的「桥梁」（如图 1 所示）。

图 1：微生物组学+代谢组学联合分析逻辑

题目：土壤代谢组学及微生物组学结合研究胡椒种植对土壤的影响

方案设计：

• 实验组：胡椒根际土壤

• 对照组：空白土壤

• 生物学重复：5 个

组学设计：16S 扩增子 + 非靶代谢

简析：根际土壤对植物生长发育起到关键作用，根际土壤微生物对有机化合物的代谢也会影响根部功能。本研究利用土壤代谢组学和微生物组学对胡椒根际土壤和空白土壤进行比较分析，揭示了根际分泌物可溶性有机碳（DOC）对土壤微生物群落组成有重要影响。代谢组学结果表明淀粉和蔗糖的代谢是根际土壤中改变最明显的途径，扩增子结果显示根际中变形杆菌和拟杆菌（富营养化）的细菌种类明显高于空白土壤，这些菌通常对植物根系分泌物产生积极的反应。最后通过代谢组和微生物关联分析发现蔗糖与土壤细菌成员之间的相关性最大，证实不同的细菌通过调节根际淀粉和蔗糖等代谢功能从而导致一系列不同代谢物的产生。

图 2：不同的细菌成员通过调节根际中的淀粉和蔗糖代谢功能而导致不同的代谢（来源于参考文献 1）

16S/宏基因组 + 宿主转录组

代谢组学建立了微生物与环境之间沟通的桥梁，而进一步探索微生物与宿主的互作关系当然少不了宿主的基因表达数据，因此微生物组学与宿主转录组学的结合也是常见的策略之一。

图 3：微生物组学+代谢组学+宿主转录组联合分析逻辑

题目：宏基因组结合宿主转录组宏调节新生反刍动物瘤胃发育

方案设计：新生牛犊 24 只，按出生时间顺序分为 4 组，取瘤胃组织及内容物

• 第一组：出生第 0 天

• 第二组：出生第 1 周

• 第三组：出生第 3 周

• 第三组：出生第 6 周

组学设计：宏基因组 + 真核有参转录组

简析：断奶前小牛的表型特征明显，出生后不久，小牛瘤胃内没有分离突出的乳突或复层鳞状上皮，断奶前乳突发育明显，总 VFA（挥发性脂肪酸）、乙酸盐、丁酸盐等浓度随着年龄的增长和饮食的变化而增加。宏基因组分析结果显示，断奶前（6 周前）与「蛋白质和碳水化合物代谢 」相关的微生物占主导地位。而 VFA 的浓度与活性黄氏乳杆菌密度和瘤胃乳头发育正相关。为了进一步挖掘微生物可能影响瘤胃上皮细胞的发育和组织代谢，作者结合宿主转录组，在小牛瘤胃组织中表达的共一万三千多个基因，并结合 WGCNA（加权基因共表达网络分析）分析聚类 29 个基因模块，这些基因模块显示与小牛表型性状的各种关联。最终揭示了在出生前反刍动物瘤胃中建立了动态、活跃的微生物组，通过与宿主的密切互作促进瘤胃发育。

图 4：Flow chart depicting the rumen sampling process and approaches used to derive host-microbial interactions of the neonatal rumen（来源于参考文献 2）

当然，微生物相关多组学思路远不止于此。在了解微生物基础组成及丰度的基础上，可以结合宏转录组深入研究功能基因的差异表达，可以结合宿主蛋白组或者宏蛋白组研究功能活性，可以在宿主转录组基础上加入调控组学进一步探索在微生物影响下的调控机制等等。不同组学结合，可多维度剖析生物学问题，让我们的研究更加立体。

参考文献：

[1] Song Y, Li X, Yao S, Yang X, Jiang X. Correlations between soil metabolomics and bacterial community structures in the pepper rhizosphere under plastic greenhouse cultivation. Sci Total Environ. 2020 Aug 1;728:138439. doi: 10.1016/j.scitotenv.2020.138439. Epub 2020 Apr 23. PMID: 32361108

[2] Malmuthuge N, Liang G, Guan LL. Regulation of rumen development in neonatal ruminants through microbial metagenomes and host transcriptomes. Genome Biol. 2019 Aug 23;20(1):172. doi: 10.1186/s13059-019-1786-0. PMID: 31443695; PMCID: PMC6708143.

内容审核：武妙兰、朱超敏

本文来源：腾讯新闻生物学霸