如何用代谢物验证宏基因组数据

基迪奥生物 · 公众号 · · 2024-12-25 18:00

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上次的推送如何用代谢物筛选宏基因组数据中提到，宏基因组与代谢组有4种常见的关联分析类型，也详细讲解了物种筛选型关联分析的详细分析思路。除物种分析外，功能分析也是宏基因组分析的重要方面，今天我们就一起来看一下功能关联型是怎么样的分析思路吧~

表1 宏基因组与代谢组关联分析类型

功能关联分析目的

宏基因组检测到的功能基因只能表明群落具有对应的功能潜力，对于该功能基因是否能够得到有效表达还需要设计实验进行进一步验证。代谢组可以鉴定群落中的代谢物，从微生物生命活动的终端产物角度很好的弥补了宏基因组对功能验证的不足，即通过代谢组与宏基因组关联分析，用目标代谢产物来验证匹配的关键功能基因是否表达。

功能关联结果应用

宏基因组与代谢组进行功能关联分析的主要应用有以下3个方面：

1.验证群落的功能潜力，结合已报到的文献对目标代谢过程的相关运行机制进行阐述。

2.结合物种分析与已报道的文献内容，讨论物种变化与功能、代谢物变化的潜在关联，挖掘潜在的目标功能微生物群。

3.结合Binning分析，进一步定位能进行关键代谢过程的目标物种，对其生态位信息进行基因组分析。

功能关联分析思路

功能关联分析的关键在于从代谢通路的角度将代谢物与功能基因进行匹配，一般来说通过代谢组结果进行功能关联更方便筛选数据，可以通过差异分析和富集分析两种方法识别关键代谢物和通路。

1.差异分析法：通过差异分析鉴定差异的代谢物，在宏基因组数据中筛选是否有对应的功能基因，进而查看功能基因是否存在丰度差异。一般来说，微生物功能具有表达的特异性，即代谢结果有差异的情况下，丰度不一定存在差异，因此在丰度差异不显著的情况下可以结合环境因子等表型指标对功能差异表达的原因进行进一步解释。

代谢物差异分析思路

2.富集分析法：通过差异代谢物富集分析，可以直接定位关键的代谢通路，再通过宏基因组功能分析比较不同实验组之间关键通路整体功能基因丰度变化，进而对代谢物表型差异进行解释。

代谢物富集分析思路

差异分析与富集分析的细微差别在于，差异分析仅通过单点比对，即仅比对产生差异代谢物的关键功能基因，而富集分析的方法可以从通路角度，对差异代谢物富集的通路上的各功能基因进行比较。

客户应用案例解读

文章题目： 普洱茶发酵过程中有机酸变化和代谢机制

合作单位： 云南农业大学

发表期刊： LWT（IF=7.7）

研究目的

微生物在熟普洱茶发酵过程中的生物活动可以产生大量有机酸等生物活性化合物，有机酸会产生一系列复杂反应改变普洱茶的色泽和风味，是形成熟普洱茶风味的主要因素。然而目前对普洱茶发酵过程中影响有机酸变化的功能微生物研究还不充分。

研究思路

文章研究思路

研究结果

1.代谢物与影响茶叶风味的微生物功能组成：

代谢组分析结果显示，生茶与发酵后的代谢物组成有显著差异，表明发酵过程对茶叶中的代谢物组成发生了显著变化（图1A）。

代谢物差异分析结果显示，发酵后有20种代谢物的含量降低，如，表没食子儿茶素没食子酸酯、表儿茶素没食子酸酯、表没食子儿茶素、茶氨酸、山柰酚和丝氨酸；13种代谢物的含量有所增加，如，酒石酸、没食子酸、葡萄糖、半胱氨酸、蔗糖和茶褐素（图1B）。大多数茶多酚（包括类黄酮、儿茶素和茶色素）的含量都有所降低，葡萄糖和没食子酸的含量显著增加。据报道，鞣酸酶可催化分解可水解单宁（如单宁酸）中的酯和苷键，从而生成葡萄糖和没食子酸。

宏基因组功能分析共注释得126个编码单宁酸酶的基因，这些基因主要是由 Aspergillus 、 Pigmentiphaga 、 Agrobacterium 和 Rasamsonia 属的微生物编码，这些微生物可能分泌单宁酸来水解没食子酸盐，释放没食子酸和葡萄糖，导致没食子儿茶素水平下降，没食子酸水平上升。功能注释得到多酚氧化有关的22个编码漆酶的基因（ Rasamsonia 、 Aspergillus 、 Cryptococcus 和 Klebsiella 属的微生物编码）和18个编码酪氨酸酶的基因（ Aspergillus 、 Rasamsonia 和 Lachnellula 属的微生物编码）；这些是普洱茶有益健康和呈现棕红色的茶褐素生成的潜在原因（图1C）。

图1 代谢物与影响茶叶风味的微生物功能分析

2.差异有机酸富集分析：

差异变化的有机酸被注释为9条KEGG代谢途径，柠檬酸循环（TCA 循环）、乙醛酸和二羧酸代谢、丙酮酸代谢、苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸生物合成以及光合生物的碳固定共6条代谢途径被显著富集（图2）。

图2 差异有机酸富集分析

3.有机酸相关代谢功能与关键通路：

如何用代谢物验证宏基因组数据

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