宏基因組是指特定環(huán)境中全部微生物遺傳物質(zhì)的總和。宏基因組測序以環(huán)境樣品中的微生物群體基因組為研究對象，直接從環(huán)境樣品中提取全部微生物的DNA，構(gòu)建宏基因組文庫，利用高通量測序技術(shù)分析環(huán)境樣品所包含的全部微生物的群體基因組成及功能和參與的代謝通路，解讀微生物群體的多樣性與豐度，探求微生物與環(huán)境，微生物與宿主之間的關(guān)系，發(fā)掘和研究新的、具有特定功能的基因。
傳統(tǒng)的分子生物學(xué)技術(shù)包括定性PCR、定量PCR，分子克隆等技術(shù)開展了一些相關(guān)的研究，但其通量低，操作繁瑣，成本高，極大地限制了宏基因組學(xué)的發(fā)展。第二代高通量測序技術(shù)，尤其是Illumina測序平臺在宏基因組的研究上已被廣泛應(yīng)用。與傳統(tǒng)方法相比，基于高通量測序的宏基因組研究無需構(gòu)建克隆文庫，這避免了文庫構(gòu)建過程中利用宿主菌對樣品進行克隆而引起的系統(tǒng)偏差，簡化了實驗操作，提高了測序效率，且測序通量高，短時間內(nèi)能夠獲得幾百Gb的數(shù)據(jù)，此外，成本低廉，遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)測序技術(shù)，從而極大地促進了宏基因組學(xué)的發(fā)展。
Illumina測序平臺廣泛應(yīng)用于分析環(huán)境樣品和污染處理反應(yīng)器中微生物各類功能基因豐度， 通過Illumina宏基因組測序、基因功能注釋、基因功能豐度差異分析、豐度差異的基因 GO 富集分析、豐度差異的基因 KEGG 富集分析、聚類分析、多元統(tǒng)計分析，可以同時完成污染物降解、硝化/反硝化、生物除磷、重金屬生物轉(zhuǎn)化、抗生素耐藥等環(huán)境功能基因的注解和豐度分析。例如：Illumina測序技術(shù)研究凍土微生物碳氮循環(huán)功能基因KEGG 通路刊登于Nature[1]，活性污泥中抗性基因和可移動原件刊登于Plos One，活性污泥和沿海沉積物中微生物砷代謝基因刊登于Applied Microbiology and Biotechnology。
宏基因組中特定基因豐度的比較
活性污泥中抗生素抗性基因的相對豐度
參考文獻(xiàn)：
[1] Rachel Mackelprang, Mark P. Waldrop, Kristen M. DeAngelis, et al. Metagenomic analysis of a permafrost microbial community reveals a rapid response to thaw. Nature, 2011, 480, 368–371.
[2] Tong Zhang, Xu-Xiang Zhang, Lin Ye. Plasmid Metagenome Reveals High Levels of Antibiotic Resistance Genes and Mobile Genetic Elements in Activated Sludge. Plos One, 2011, 6(10): e26041.
[3] Lin Cai, Ke Yu, Ying Yang, et al. Metagenomic exploration reveals high levels of microbialarsenic metabolism genes in activated sludge and coastal sediments. Applied Microbiology and Biotechnology. 2011, DOI:10.1007/s00253-012-4678-8.
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