許多微生物無法在實驗室環(huán)境中培育，妨礙了解地球微生物多樣性的嘗試。由于微生物在從養(yǎng)分循環(huán)，碳處理，表土肥力，植物和森林的健康和生長等環(huán)境過程中都有很大的參與，并且至關(guān)重要，因此，準(zhǔn)確地描述它們作為理解其活動的基礎(chǔ)，能源部(DOE)的主要目標(biāo)。一種方法是研究從復(fù)雜的微生物群落或宏基因組中提取的收集的DNA，以描述其DNA編碼的“部分”目錄，并了解微生物如何響應(yīng)和適應(yīng)環(huán)境變化。研究人口而不是個人會在知識的道路上產(chǎn)生不同的障礙。

“對于宏基因組學(xué)，”加州大學(xué)伯克利分校和勞倫斯伯克利國家實驗室地球科學(xué)部的Jillian Banfield說，它是DOE聯(lián)合基因組研究所(DOE JGI)的長期合作者，DOE JGI是DOE科學(xué)用戶設(shè)施辦公室，“它就像從許多不同謎題的混合物中重建謎題 - 并且不知道它們中的任何一個是什么樣的。“部分問題在于更常用的測序機器生成短長度或碎片的數(shù)據(jù)，大約為幾百堿基對DNA。另外，短讀裝配者可能無法區(qū)分相同或相似序列的多次出現(xiàn)，因此要么無法將它們置于正確的上下文中，要么完全從最終裝配中消除它們，就像拼圖拼圖和許多看起來相同的小塊一樣，很難。其結(jié)果是缺口表明社區(qū)中的所有微生物都不能通過環(huán)境基因組學(xué)的應(yīng)用來識別。

在2015年4月版Genome Research封面上發(fā)表的一項研究中，包括DOE JGI和伯克利實驗室研究人員在內(nèi)的研究人員對使用下一代Illumina測序儀的兩種方法進行了比較，其中一種方法 - TruSeq合成長讀數(shù) - 顯著更長讀取比另一個。Metagenome數(shù)據(jù)來自位于科羅拉多州Rifle的Berkeley Lab領(lǐng)導(dǎo)的DOE地下生物地球化學(xué)野外研究站點，由Banfield領(lǐng)導(dǎo)的團隊生成。他們評估了由兩種Illumina技術(shù)產(chǎn)生的序列重建的基因組的準(zhǔn)確性，以了解更多關(guān)于微生物存在的數(shù)量低于其他微生物，并更好地確定宏基因組樣品的物種豐富度。

該項目是伯克利實驗室基因組到流域科學(xué)重點區(qū)域(SFA)的一部分，該區(qū)域涉及來自伯克利實驗室和其他機構(gòu)的50多名科學(xué)家，包括加州大學(xué)伯克利分校，太平洋西北國家實驗室，科羅拉多礦業(yè)學(xué)院和橡樹嶺國家實驗室。 ?；蚪M到流域的SFA由地球物理學(xué)家Susan Hubbard領(lǐng)導(dǎo)，他是伯克利實驗室地球科學(xué)部門的負(fù)責(zé)人。其目標(biāo)是開發(fā)一種方法，以獲得對從基因組到流域尺度的復(fù)雜的，基于生物學(xué)的系統(tǒng)相互作用的預(yù)測性理解。吉爾班菲爾德是代謝潛能的共同領(lǐng)導(dǎo)者該團隊項目的一個組成部分，側(cè)重于表征介導(dǎo)碳和電子通量的地下微生物群落中的流行代謝途徑，并利用該信息為基因組啟用的流域反應(yīng)性運輸模擬器提供信息。班菲爾德在本視頻中描述了SFA工作中的代謝潛能成分，她的一些近期其他與該項目相關(guān)的其他突破性地下經(jīng)濟學(xué)研究結(jié)果可以在這里找到。

重新審視科羅拉多州步槍的微生物群落

在研究中，該團隊使用了從科羅拉多河附近的含水層采集的沉積物樣本，這些樣本已用于以前的實驗。對于其中一項早期工作，DOE JGI對Rifle Site微生物群落進行了測序，并能夠從短讀組件中完全重建以前未知生物的高質(zhì)量基因組。此外，調(diào)查結(jié)果顯示，樣本中發(fā)現(xiàn)的許多細(xì)菌和古細(xì)菌先前未被識別或取樣。

在他們的研究中，研究人員將Illumina的短讀技術(shù)生成的序列和組件與更新，更長讀取技術(shù)的數(shù)據(jù)進行了比較，該技術(shù)可生成大約8,000個堿基對的讀取長度。他們發(fā)現(xiàn)，閱讀時間越長，社區(qū)的多樣性就越多。例如，使用短讀取技術(shù)，他們之前在沉積物樣本中確定了超過160種微生物物種。然而，使用較長讀取技術(shù)，可以對來自樣本的400多種微生物進行系統(tǒng)發(fā)育分類，盡管有些只占社區(qū)的0.1%。

該研究的第一作者，加州大學(xué)伯克利分校的Itai Sharon指出，由于樣本中存在密切相關(guān)的物種，他們還發(fā)現(xiàn)了之前未能組裝的物種。這些近親，占社區(qū)的15%，使裝配算法混亂。“這些種群很少被短讀組裝錯過，因為裝配者往往在存在多個密切相關(guān)的物種和菌株時失敗。使用我們開發(fā)的用于分析長讀數(shù)的算法，我們能夠為這些群體重建基因組結(jié)構(gòu)，“他說。

“將分析進一步擴展到豐度較低的物種表明至少有2,100種不同的物種存在，”該團隊報告說。“因此預(yù)計物種的真實數(shù)量要高得多 - 可能在數(shù)千或數(shù)萬種不同物種的范圍內(nèi)。”

更長時間讀取添加到測序功能的值

結(jié)果之間的差異表明，盡管進行了大量的測序工作，但由于覆蓋不充分，短讀取數(shù)千個稀有基因組的組裝失敗。另一方面，較長的讀數(shù)揭示了先前未檢測到的微生物物種的“長尾”，其在宏基因組樣品中以非常低的豐度存在。此外，即使有足夠的測序覆蓋范圍，短讀數(shù)也可用于密切相關(guān)的基因組。使用長讀取可以重建大多數(shù)這些基因組的基因順序。

“根據(jù)短期和長期閱讀數(shù)據(jù)的可用性，我們可以利用基因組序列信息探索稀有和更豐富的生物體的種群多樣性，分類多樣性和生物體豐度水平的模式，”該團隊報告說。“總體而言，短期和長期閱讀數(shù)據(jù)為宏基因組研究提供了互補優(yōu)勢，從而使得這兩種技術(shù)的使用比單獨使用這兩種技術(shù)更加強大。”

DOE JGI Metagenome項目負(fù)責(zé)人Susannah Tringe指出，雖然步槍研究來自社區(qū)科學(xué)項目(CSP)，但本研究中進行和報告的長讀分析部分是由DOE JGI的新興技術(shù)機會計劃(ETOP)推動的。 。該計劃于2013年啟動，旨在開發(fā)和支持DOE JGI可以建立的選定新技術(shù)，以增加其目前為其用戶執(zhí)行的高通量測序的價值。“我們不只是想要了解Rifle，而是如何利用這些技術(shù)通過ETOP了解微生物群落，”她補充道。首屆ETOP周期側(cè)重于六項能力其中一個是Banfield的項目。這種新的測序方法的關(guān)鍵產(chǎn)量是對采樣點內(nèi)微生物群落的更詳細(xì)的表征; 這不僅提供了對在該位點發(fā)生的微生物介導(dǎo)的過程的更好理解 - 其中可包括碳捕獲，污染物修復(fù)，或植物和其他可能具有生物能源利益的有機材料的分解 - 但也發(fā)現(xiàn)了新的DOE任務(wù)感興趣的基因和酶。

DOE JGI社區(qū)科學(xué)計劃(CSP)現(xiàn)在接受針對DOE任務(wù)的大規(guī)?；谛蛄械幕蚪M科學(xué)項目的意向書。今年的重點領(lǐng)域包括極端環(huán)境，包括深層地下。有關(guān)更多信息，請訪問http://bit.ly/JGI-2016-CSP。意向書的截止日期為2015年4月16日。