鄧曄研究組在微生物功能基因的數據庫開發和環境定量方面取得新進展
中科院環境生物技術重點實驗室鄧曄研究組與日本東京大學、四川大學、大連理工大學等單位合作，在微生物功能基因數據庫開發和應用方面取得新進展，相關研究成果近日發表于Methods in Ecology and Evolution（Wang, et al. 2022），Molecular Ecology Resources（Wang, et al. 2022），Journal of hazardous Materials（Li, et al. 2022）等生態學和環境科學期刊上。
環境核酸檢測技術已廣泛應用于研究不同生境中的專一微生物（如新冠病毒等）或廣譜微生物群體（如細菌群落等）的分布和含量狀況，但這些檢測技術的準確性高度依賴于PCR引物的特異性和覆蓋度，而設計和評估高質量的擴增引物均需構建全面的標記基因序列數據庫。同時，環境樣本中廣泛存在的PCR抑制劑對痕量基因的檢測也造成極大的困難。
在此，鄧曄研究組開發了一個基于隱馬爾可夫模型（Hidden Markov model profiles）的標記基因序列收集平臺，兼顧序列的高質量和完整性。針對表征氮素轉化酶的標記基因構建氮循環基因數據庫NcycFunGen，包含涉及7個氮循環過程的22個標記基因，共收集60余萬條蛋白質和對應的核苷酸序列及完整的物種注釋信息。基于該數據庫，系統評價了608條已發表的氮循環基因引物，其結果表明，大部分收集到的引物對僅能覆蓋不到30%的目標序列。因此，該團隊進一步通過NcycFunGen收集的高質量序列，重新設計了脲酶標記基因ureC、氨單加氧酶標記基因amoA和固氮基因nifH的簡并引物對。引物評價中，這些新設計的引物對具有更高的覆蓋度和擴增效率、以及更合適的擴增子長度，可用于高通量擴增子測序。此外，在草地尿素添加實驗中，數字微滴PCR和高通量擴增子測序結果顯示新設計的ureC基因和nifH基因引物對比之前發表的通用引物對具有更好的特異性和可以檢測更廣的物種分類范圍。以上結果發表于生態學雜志Methods in Ecology and Evolution（Wang,et al., 2022）。
圖1數據庫構建流程
與此同時，該研究團隊還針對芳香族化合物降解的微生物標記基因ARHDs構建序列數據庫DARHD，系統地評估了該基因的譜系多樣性和底物廣譜性。引物評價結果表明，目前廣泛采用的引物在用于復雜的環境樣本檢測時還存在覆蓋度低和特異性差等諸多不足，實驗時需要根據樣本類類型及研究目標進行特異性的引物設計（Li, et al.,Journal of Hazardous Materials, 2022）。此外，該團隊還系統評估了新一代定量技術——數字微滴PCR（ddPCR）在環境樣本中的表現，實驗表明ddPCR在標記基因定量方面比傳統定量PCR具有更好的準確性、可重復性、靈敏性和穩定性。由于該技術對PCR抑制劑不敏感，并具有定量較長目的片段的潛力，因此ddPCR在環境監測和評估中能更準確地定量特定微生物或功能類群的環境總量（Wang, et al., Molecular Ecology Resources, 2022）。
以上研究得到了國家科技部、自然科學基金和四川省科技廳有關項目支持。
原文鏈接
論文鏈接1：https://doi.org/10.1111/2041-210X.13946
論文鏈接2：http://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/s0304389422010202
論文鏈接3：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/1755-0998.13644
中科院環境生物技術重點實驗室
