2024-08-29
在《西游记》中，悟空凭借其火眼金睛能够看穿一切伪装与假象，辨识妖魔鬼怪；而在现代科研的“取经路”上，微生物组与代谢组的结合，就像是科研领域的“火眼金睛”，让我们能够洞察机体微生物与代谢物之间微妙而复杂的关系，揭示微生物群落如何通过菌群代谢及与宿主共代谢来影响宿主或环境。
科学研究的每一次探索都是一次“取经”之旅。小派将带您走进微生物组与代谢组的神秘世界，在接下来的内容中，我们将详细介绍微生物组与代谢组的基本概念、研究方法，以及它们在科研中的基本思路等。准备好了吗？让我们一起启程，直面天命，探索未知，勇闯科研的“取经路”！
一、微生物组是什么
微生物组研究的是生物体内或特定环境中存在的所有微生物，它涵盖了细菌、真菌、病毒和古菌等。这些微生物成员通常不是孤立存在的，而是以群落的形式相互依存、相互影响，并与其周围的环境形成了紧密的联系。深入研究微生物组，我们能够揭示这些微生物在不同生态系统中的功能和作用，以及它们对宿主及环境的影响。
现代高通量测序技术的应用，为微生物组的研究提供了强有力的工具。这些技术能够对微生物群落中的DNA和RNA进行快速而精确的测序分析，从而深入挖掘微生物的物种组成、功能特性以及动态变化。这为医学、生态学、农学等众多领域提供了重要的数据支持。
二、代谢组是什么
代谢组学指利用质谱技术对生物样本中参与生物体新陈代谢、维持生物体正常生长发育功能的小分子化合物（主要是指相对分子质量小于1500 Da的内源性小分子）进行定性和定量，并寻找代谢物与生理病理变化之间相互关系的一门学科。代谢组学是继基因组学、转录组学、蛋白质组学后发展起来的一门新兴学科。基因组学反映了可能发生什么，转录组学反映了将要发生什么，蛋白质组学反映了正在发生什么，而代谢组学则反映了已经发生什么，是最接近表型的一门学科。
代谢物分为初级和次级两大类，初级代谢物是细胞生长和分裂所必需的基本物质，包括氨基酸、核苷酸、糖、脂肪酸和维生素等，它们直接参与细胞的主要代谢途径，如糖酵解、三羧酸循环和脂肪酸代谢等，是细胞进行能量产生和生物大分子合成的关键物质。次级代谢物是微生物、植物和某些动物在特定条件下合成的一类化合物，如抗生素、毒素、激素、色素和香味物质等，次级代谢物通常具有保护生物体、传递信号、防御天敌或竞争生存空间的作用。
三、为什么要做关联
在生物医学、环境科学以及农学等研究领域，微生物组与代谢组的联合分析已经成为一种关键技术手段。这种分析方法的核心在于综合考量微生物群落的结构特征以及它们在宿主或环境中的代谢产物，从而绘制出微生物与代谢物相互作用的功能图谱。
通过微生物组，研究者能够识别出微生物群落的组成差异，并进一步预测或解释这些菌群在功能上的变化。与此同时，代谢组则是菌群与宿主互作功能的直接反映。通过联合分析可以反映出微生物群落如何通过其代谢活动及与宿主的共同代谢过程来塑造宿主或环境的代谢状态。这种综合分析方法的优势在于其深度和全面性，它不仅包括了对微生物群落结构的细致研究，也涵盖了对宿主或环境中代谢物变化的深入分析。这样的深度数据整合，为理解微生物活动如何影响宿主健康、疾病发展、药物代谢、环境变化等提供了强大的工具。简而言之，微生物组与代谢组的联合分析是解锁微生物与宿主之间复杂相互作用的关键手段，它为精准医疗、环境监测和农业改良等领域的研究与应用开辟了新的道路。
四、怎么做关联
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1、相关性分析
计算微生物和代谢物的pearson/spearman相关系数。相关系数r的取值范围在-1到1之间，r的绝对值越接近1，表示两个变量之间的线性关系越强；r为正表示正相关，r为负表示负相关。并对计算得到的皮尔逊/斯皮尔曼相关系数进行显著性检验（如t检验），以确定相关性是否具有统计学意义。通常设置p值阈值（如p<0.05）来筛选具有显著相关性的微生物-代谢物对。
以常见的热图为例，通过聚类相关性热图展示差异微生物和差异代谢物之间的相关性，颜色深浅反映了相关性的强弱。此外基于差异微生物和差异代谢物的相关性进行层次聚类，将相关性强的微生物或代谢物聚到一起。能够直观地展示微生物与代谢物之间的相关性趋势变化以及它们之间的聚类关系。
2、一致性分析
典范相关分析（Canonical Correlation Analysis，CCorA），是一种在统计学中用于研究两组变量之间相关性的方法，用于探索两组变量之间的复杂关系，尤其在处理多组学数据时具有独特优势。CCorA是一种对称分析方法，意味着被分析的两个矩阵之间没有响应和解释变量之分，它们扮演同样的角色。
Mantel test网络热图是Mantel-test分析和代谢物之间相关性分析的联合分析内容。Mantel-test是检验两个矩阵相关关系的非参数统计方法。本分析则检验群落距离矩阵和代谢物变量距离矩阵之间的相关性。
3、约束排序分析
CCA分析是基于对应分析发展而来的一种排序方法，将对应分析与多元回归分析相结合，每一步计算均与环境因子进行回归，又称多元直接梯度分析。RDA分析即冗余分析，是环境因子约束化的PCA分析，可以将样本和环境因子反映在同一个二维排序图上，从图中可以直观地看出样本分布和环境因子间的关系。
4、机器学习分析
随机森林算法是一种结合了套袋法（bagging）和决策树的机器学习算法,它可以用于分类和回归问题。在随机森林分析中我们使用重复特征消除(RFE)算法进行特征选择,通过计算分类误差来衡量每个代谢物在随机森林模型中的重要性。在特定的子集大小上进行迭代,通过不断剔除最不重要的特征来选择最重要的特征,直到达到所需的特征数为止。
5、WGCNA分析
一种代谢物/微生物可能与多种微生物/代谢物具有相关性，保留至少含一组相关性的pvalue 满足 CCP<0.05 的数据，然后进行热图的绘制。热图可以通过颜色梯度来反应各种代谢物与各个微生物分类之间的相关性大小，并且可以对多样性和代谢物进行聚类分析。其中相关性分析都基于皮尔逊相关系数计算方法。
6、MIMOSA2分析
主要用于微生物组学和代谢组学数据的联合分析。更好地帮助理解微生物群落结构与宿主或环境中的代谢物变化之间的复杂关系。
五、常见思路
1、医学
题目：Distinct composition and metabolic functions of human gut microbiota are associated with cachexia in lung cancer patients
人类肠道微生物群的独特组成和代谢功能与癌症患者恶病质有关
研究背景
恶病质是一种常见于癌症患者的多因素疾病，胃肠道癌症(80%)和肺癌患者(60%)的发病率最高。肠道微生物区系作为治疗恶病质的新靶点正受到人们的关注，因为它在提供枯竭的营养物质、调节肠道激素、恶病质相关的细胞因子和改善肠道屏障功能方面起着关键作用。
组学手段
宏基因组、代谢组
技术路线
结果展示
研究结论
①恶病质组与非恶病质组相比，在肠道微生物组成、功能途径及相关血浆代谢物方面存在显著差异；
② 恶病质患者血浆中支链氨基酸（BCAAs）、甲基组织胺和维生素明显降低，这也反映了相关肠道菌群功能通路的衰竭；
③非恶病质患者BCAAs和3-氧胆酸的富集与普氏菌（Prevotalla copri）和加氏乳杆菌（Lactobacillus gasseri）丰度正相关；
④恶病质患者微生物中脂多糖合成能力显著增强；
⑤仅使用肠道微生物特征进行高性能机器学习模型，进一步观察到肠道微生物与恶病质的关系。
2、农学
题目：Dopamine alleviates cadmium stress in apple trees by recruiting beneficial microorganisms to enhance the physiological resilience revealed by high-throughput sequencing and soil metabolomics
代谢组+微生物组助力苹果镉胁迫缓解机制研究
研究背景
由于农药、化肥的过度使用以及工业“三废”的排放，导致土壤镉污染日趋严重，镉是土壤中最常见的高毒性重金属污染物。苹果是世界上最重要的经济水果之一，种植面积大，生长周期长，巨大的时空跨度使其容易遭受镉污染，严重威胁苹果生长发育和品质安全。多巴胺具有较强的抗氧化能力，在植物响应逆境胁迫中具有重要作用。然而，关于多巴胺调控苹果镉胁迫的研究较少。
组学手段
16S扩增子，ITS扩增子，LC-MS非靶代谢组
技术路线
结果展示
研究结论
本研究利用土壤微生物组和代谢组联合分析，研究了多巴胺对镉胁迫下苹果植株生长的影响。研究发现，多巴胺可以增强植株光合作用，激活活性氧清除系统，降低植株体内活性氧水平；抑制镉吸收基因的表达，促进镉解毒基因的表达，减少植株镉积累，从而缓解镉胁迫对植株生长的抑制。此外，多巴胺显著改变了土壤代谢物的组成以及根际微生物群落多样性。LEfSe分析表明多巴胺可通过诱导植物招募潜在的有益微生物来抵抗镉胁迫。共现网络显示，多巴胺正向调节的几个代谢产物与植物相对生长速率呈显著正相关，与镉积累则呈显著负相关，表明潜在有益微生物可能被上述代谢产物所调控。研究结果有助于今后深入研究多巴胺调控苹果镉胁迫的功能机制，也为果园土壤重金属治理提供了新的思路和策略。
3、食品
题目：Organic acids drove the microbiota succession and consequently altered the flavor quality of Laotan Suancai across fermentation rounds: Insights from the microbiome and metabolome
老坛酸菜不止有绯闻，更有技术加持，微生物组学助力风味改善！
研究背景
作为一种传统发酵蔬菜，老坛酸菜因其风味独特而广受消费者欢迎，目前的研究大多集中在单轮实验室规模的发酵蔬菜中微生物群落和风味属性之间的相关性上，很少有研究关注工业规模发酵蔬菜多轮发酵过程中微生物的演替和风味品质的差异。此外，对蔬菜发酵过程中微生物群落聚集过程的研究也较少。因此，本研究对工业规模(500 kg/批)老坛酸菜4轮发酵的风味品质和菌群进行了研究，旨在确定影响风味形成的核心微生物群、化合物，及其相互作用机制，进一步重点筛选具有优良风味调节能力的发酵菌株来提高老坛酸菜的风味品质。
组学手段
16S全长扩增子，挥发性代谢组
技术路线
结果展示
研究结论
①老坛酸菜样品中有机酸的含量随着发酵次数的增加而不断积累，引起老坛酸菜酸味过酸；
②31种挥发性风味物质的含量在各次发酵样品具有一定的差异，其中第2次和第3次发酵样品的香气成分接近；
③老坛酸菜在发酵过程中为区别风味形成的核心微生物有乳杆菌属、那慕尔促生乳杆菌、耐酸乳杆菌、植物乳植物杆菌、消化伴生乳杆菌、发酵粘液乳杆菌和棒状腐败乳杆菌。
4、生态
题目：Marine Dehalogenator and Its Chaperones: Microbial Duties and Responses in 2,4,6-Trichlorophenol Dechlorination
宏蛋白组+代谢组+宏基因组助力研究海洋微生物在2,4,6-TCP脱卤过程中的响应机制
研究背景
2,4,6-三氯苯酚（TCP）是一种有毒的致癌卤代有机化合物（HOCs），在全球范围内被用作防腐剂和杀虫剂，其对水生生态系统和公众健康构成了严重威胁。一般来说，TCP 的净化可通过微生物还原脱氯来实现，随后可被氧化，但迄今为止还没有已知的海洋 TCP 脱氯菌。基于此，本研究通过以TCP为卤代底物的微生物培养技术结合宏基因组、代谢组及宏蛋白组，来揭示海洋TCP-OHRB及其功能基因，并阐明培养物中其它微生物的功能及其对HOCs的适应机制。
组学手段
宏基因组，代谢组，宏蛋白组
技术路线
结果展示
研究结论
本研究鉴定到一株新的非专性海洋OHRB，该菌具多个保守基序相似却系统发育多样性的RdhA，这对研究海洋OHRB在地理和遗传上的基因流动具有重要意义。研究还揭示了Dendrosporobacter、Methanosarcina 和Peptococcaceae DCH的基因组信息，并构建和验证了它们的代谢通路。结果表明，TCP脱氯培养物中产甲烷菌的发生主要与消耗代谢中间体有关，而不是辅助脱氯。此外，研究还阐明了Dendrosporobacter在辅助TCP脱氯中的重要作用，以及它对TCP的强适应性，为HOCs如何塑造微生物群落结构和功能提供深入的见解。综上所述，本研究加深了我们对海洋OHRB (rdhAs)、辅助微生物以及微生物对HOC适应机制的理解。
