扩增子、宏基因组、宏转录组，三大法宝玩转肠道微生物

俗话说，“遇事不决，量子力学；机制难寻，肠道菌群”。和研究物理学微观粒子的量子力学一样，我们肚子里面肠道菌群也是一个神奇的微观世界，里面包含约100万亿个微生物，有人体细胞总数的10倍之多，影响着宿主的饮食、疾病、以及生长发育等。面对数目如此庞大的肠道微生物，要使用哪些技术去了解其物种的组成，发挥的功能，以及对宿主的影响呢？下边，我们就为大家献上研究肠道微生物的 “三大法宝”。

存在哪些微生物——扩增子

首先，我们可以通过扩增子测序技术获悉肠道中存在哪些微生物，以及每种微生物的丰度占比。

扩增子测序即通过提取样品的DNA，选择合适的引物扩增16S rDNA区域，通过检测扩增区域的序列变异和丰度，以研究样本中物种分类、物种丰度以及系统进化。该技术可以克服传统分离培养的缺点，对样品中的微生物进行定性和定量，加之具有相对较低的成本，更加快速的周期等特点，深受微生物研究者的青睐。

补充知识点

Q：为什么要扩增16S rDNA区域？

A：16S rDNA是细菌的系统分类研究中最有用的和最常用的分子钟，素有“细菌化石”之称。16S rDNA由于分子大小适中，既能体现不同菌属之间的差异，又能利用测序技术得到其序列，故广泛应用在微生物群落研究中。

 物种相对丰度柱状图

微生物能做什么——宏基因组

了解肠道的微生物群落分布和比例后，要怎么知道这些微生物能做什么，或者可以行使哪些功能呢。借助宏基因组，上述问题都可以得到完美的解答。

宏基因组，是以特定生境中的整个微生物群落作为研究对象，提取环境样本DNA后，采用二代测序技术，通过组装获得环境中所有微生物基因信息总和。用于研究样品中全部微生物群落的多样性及群落功能差异。

代谢通路分析图

微生物正在做什么——宏转录组

借助扩增子和宏基因技术，我们可以知道肠道中存在的微生物的群落分布和具备的功能，若想进一步解析微生物此时此刻正在做什么，就离不开宏转录组了。

宏转录组可以研究在特定条件下，环境/组织样本中所有的微生物的RNA的集合，利用高通量测序，可以直接获得样本中所有微生物转录组信息，能够从转录水平研究复杂微生物群落变化，挖掘潜在的新基因。

差异基因GO富集柱状图

三个技术比较如下：

如果说扩增子是初步探究样本种微生物群落分布，宏基因组则能更加全面揭示群落物种的功能，而宏转录组可以在RNA水平解析微生物基因表达谱。三个技术相互结合使用，可以更好的解释肠道中“存在哪些微生物，微生物能做什么，以及微生物正在做什么”的问题，帮助科学家更全面的了解肠道微生物的组成以及对宿主生命健康的影响。

16S+宏基因组：揭示高谷物饲喂可改变绵羊盲肠菌群组成和代谢[1]

高谷物（HG）饲料可以改变瘤胃微生物群，但在反刍动物盲肠中微生物对HG饲料的反应以及随后的微生物-宿主相互作用仍未得到探索。

研究使用16S扩增子测序研究了饮食变化如何改变绵羊盲肠微生物组，并使用宏基因组测序深入了解盲肠微生物对饮食转变挑战的适应性反应。发现喂食HG会对绵羊盲肠微生物组成和代谢的造成干扰，导致黏膜损伤，这些发现提供了在喂食HG过程中盲肠微生物结构和适应时间进程的综合概况，有助于进一步阐明反刍动物盲肠疾病的病因学。

16S+宏基因组：研究2型糖尿病肥胖人群的肠道菌群、代谢组特征[2]

肥胖和2型糖尿病的发病率在全球范围内呈现逐渐增长的趋势，但两者合并症人群的肠道微生物特征还不清楚文章研究了约1280人的肠道微生物组。发现肥胖与微生物的组成、个体分类和功能改变有关。T2D与肠道菌群的相关性并不明显；药物（如降压药和降糖药）以及膳食补充剂，与肠道菌群变化显著相关。总之，本研究将肥胖和D2T这两种相互关联的代谢疾病的微生物成分区分开来，确定了未来研究中需要考虑的饮食和给药因素。

宏转录组+宏基因组：揭示绵羊羊羔胎儿肠道中存在微生物群[3]

微生物暴露对于新生儿和婴儿的生长发育和免疫起着至关重要的作用。然而，出生前的胎儿肠道中是否存在微生物仍然存在争议。研究将通过无菌子宫切除术出生的足月羔羊作为研究产前肠道微生物的动物模型进行多组学研究。首次证实反刍动物在出生前肠道中已定植活性微生物组，为胎儿肠道微生物定植始于子宫提供了依据。对于通过调控早期宿主-微生物互作来促进动物生长发育和机体健康具有重要的理论意义，对于幼龄动物的早期培育有重大的价值。

“三大法宝”不仅可以用来研究肠道微生物，还可应用在各类微生物研究中，如土壤、空气等环境样本，肿瘤、皮肤等动物样本，以及叶片、果实等植物样本，可以说，只要涉及群落微生物研究，就一定离不开这“三大法宝”。