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實習醫生日記之頑固失眠

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Nature:揭秘地球微生物組計劃

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摘要:圖片來自年月日生物谷地球微生物組計劃的目標是盡可能多地對地球微生物群落進行取樣以便促進人們對微生物及其與包括植物動物和人類在內的環境之間的關系的理解這一任務需要來自世界各地的科學家的幫助到目前為止這一計劃已覆蓋了從北極到南極的七大洲和個
Nature:揭秘地球微生物組計劃
圖片來自Nature, doi:10.1038/nature24621。
2017年11月2日/生物谷BIOON/---地球微生物組計劃(Earth Microbiome Project)的目標是盡可能多地對地球微生物群落進行取樣,以便促進人們對微生物及其與包括植物、動物和人類在內的環境之間的關系的理解。這一任務需要來自世界各地的科學家的幫助。到目前為止,這一計劃已覆蓋了從北極到南極的七大洲和43個國家,而且有超過500名研究人員為樣品和數據收集作出了貢獻。這一計劃的成員正在使用這種信息作為大約100項研究的一部分,其中一半的研究已在同行評審的期刊上發表。

論文第一作者Luke Thompson博士(之前是Knight實驗室的一名博士后研究員,當前是美國國家海洋與大氣管理局的一名研究助理)說,“微生物是無處不在的。然而,在這項大規模的工作開展之前,微生物群落組成的變化主要通過重點研究某個時刻一個地方的一種樣品類型而被鑒定出來的。這就使得在不同的環境和地理環境中找出普遍的原則變得困難。”

地球微生物組計劃的成員通過對16S rRNA基因進行測序,分析了不同環境、地理位置和化學反應中的細菌多樣性。16S rRNA基因是細菌和古生菌的特異性遺傳標記,可作為“條形碼”鑒定出不同類型的細菌,從而允許研究人員在來自全世界的樣品中追蹤它們。這一計劃的研究人員也利用一種新的方法消除這些數據中的測序錯誤,使他們能夠更加準確地了解這些微生物組中獨特序列的數量。

在第一次公布的數據中,地球微生物組計劃的研究人員鑒定出大約30萬個獨特的微生物16S rRNA序列,其中將近90%在現有的數據庫中找不到精確匹配的序列。

在現有的數據庫中,16S rRNA序列的數量是有限的,這是因為它們的設計初衷并不是為了讓人們在未來以一種有用的方式添加數據。論文共同作者、Knight實驗室博士后研究員Jon Sanders博士將這些其他的數據庫與地球微生物組計劃之間的差別比作為電話薄與臉書(Facebook)之間的差異。他說,“以前,你必須將你的序列列出來,這種列表含有非常少的關于這個序列來自何處或者它與哪些序列一起發現的信息。如今,我們設計出一種支持所有附加內容的框架,而且該框架能夠有機地增加以便支持新的問題和見解。”

Gilbert說,“有大量的微生物多樣性仍未編入目錄。迄今為止,在所有已知的細菌序列中,我們已經‘重新捕捉’了大約一半。利用這些信息,地球微生物的分布模式已正在浮現。”

根據Gilbert的說法,最令人驚訝的發現之一是獨特的16S rRNA序列比科學家們通常使用的物種單位更能反映特定的環境。地球微生物組計劃取樣的環境多樣化有助于證實局部環境對微生物組產生多大的影響。比如,鯨目動物(鯨魚和海豚)和魚類的皮膚微生物組彼此之間的類似性要高于它們與它們游動的水域的微生物組之間的類似性;相反,鹽水中的鹽讓鹽水微生物組與淡水微生物組截然不同,但是它們彼此之間的類似性仍然高于它們與水生動物的皮膚微生物組之間的類似性。總的來說,人類或動物等宿主的微生物組與自由生活的微生物組,如在水和土壤中發現的那些微生物組存在著相當大的差異。比如,在一般情況下,這些自由生活的微生物組要比宿主相關的微生物組具有更大的多樣性。

Jansson說,“這些全球生態學模式表明進行協調取樣(coordinated sampling)和累積取樣(cumulative sampling)是有可能的。考慮到維度和海拔等因素,以及追蹤隨著時間的推移環境發生的變化,還需要更多地取樣。地球微生物組計劃為探索大量問題提供了一種資源,同時也是引導獲取新數據來解答這些問題的一個起始點。”(生物谷 Bioon.com)

備注:地球微生物組計劃收集和分析的數據已被用于很多研究中:
(1)鯨魚、海豚、海豹、魚、鳥、蝙蝠、貓、小鼠、大鼠、響尾蛇和科摩多巨蜥的皮膚;
(2)飲用水(doi: 10.1016/j.watres.2012.12.027; doi: 10.1186/s13071-016-1607-1);
(3)來自北大西洋水面的生物群落(doi:10.5194/bg-10-555-2013)和來自太平洋深海海底的生物群落;
(4)漏油(doi:10.1038/ismej.2013.254);
(5)靈長類動物的腸道健康(doi:10.1016/j.gecco.2016.06.004);
(6)食蟻哺乳動物腸道微生物組如何經過進化消化螞蟻(doi:10.1111/mec.12501),以及螞蟻腸道微生物組如何經過進化消化植物(doi:10.1093/icb/icx088);
(7)土壤微生物如何影響釀酒葡萄(doi:10.1128/mBio.02527-14);
(8)肥胖如何影響酒香(doi:10.1371/journal.pone.0085611);
(9)人體微生物組如何隨著時間的推移發生變化(doi:10.1186/gb-2011-12-5-r50)和如何改變我們生活的空間(doi:10.1126/science.1254529)。

參考資料:

Luke R. Thompson, Jon G. Sanders, Daniel McDonald et al. A communal catalogue reveals Earth’s multiscale microbial diversity. Nature, Published online 01 November 2017, doi:10.1038/nature24621

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