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16S+功能预测发Sciences:尸体降解过程中的微生物组

丁香五月天享婷婷

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Metcalf,JL,et al。 (2016)。 “哺乳动物尸体分解过程中的微生物群落组装和代谢功能。”Science 351(6269): 158-162。发布于2015年12月10日,截至3月21日,18日,Google统计数据被引用88次。

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本文是Rob Knight(发表的顶级文章之一。他有多少头牛?他是世界领先的HMP项目负责人。他在2017年仅发表了41篇高水平文章。截至3月21日,他已为QIIME发表了532篇文章,116,384篇引文和10,172篇引文。

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开始谈论下面的文章

题目:哺乳动物胴体降解过程中的微生物群落组成和代谢功能

摘要:陆地生物脊椎动物尸体的退化是养分循环的重要阶段,但微生物介导的过程仍然知之甚少。我们使用扩增子,功能预测和环境因子分析来揭示不同土壤类型下人类和小鼠的胴体分解过程。我们发现了一组细菌和真菌,它们形成了可重复的分解剂和氮循环网络,具有可预测的发生时间。结果表明,分解剂主要来自土壤,但通常只有较低的丰度,分解过程的重复性为法医学研究提供了一种新的研究方法。

科学问题

降解微生物群落的来源是什么?

降解微生物群落的动态变化是什么?

不同宿主/个体退化微生物群落的共性和个性?

材料方法

小鼠胴体:将120只雌性小鼠随机分为草地,森林和沙漠土壤。在不同时间点收集小鼠尸体下的土壤,并收集未被土壤污染的小鼠的头部和身体皮肤。样本,腹部肠道样本

人类遗骸:4个捐赠遗骸样本,自然放置在不同的环境和季节,在不同时间和地点收集的皮肤样本和土壤样本

环境因子收集:地上植被和地下土壤pH,C,N含量等

16S,18S,ITS使用HiSeq,MiSeq测序

为了便于阅读,我们尝试对组图进行反汇编和解读,并且手机阅读体验更好。

图1.微生物分解者群体在不同环境中相似。

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(A)基于未加权的unifrac距离的主轴,按时间和土壤类型着色的小鼠皮肤细菌和古细菌群的分析。可以看出,植物群结构随时间而变化。然而,尸体分解菌群中不同土壤类型之间的三个土壤轴没有显着差异。 PCoA图显示时间序列变化与土壤类型之间没有差异;事实上,第一个更常识,第二个更令人震惊。沙漠,草原和森林三种常见的土壤类型在性质上有很大差异,但实际上尸体分解过程影响不大,这一发现更为重要,为可重复的法医学提供了一种更有效的分析方法。有很多方法可以做这种3D散点图。可以绘制R中的scatterplot3D。可以绘制此公共号码中提到的recharts2和canvas。

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(B)热图显示了人尸体皮肤中细菌的相对丰度。这些值是对数刻度,并按时间点的峰值顺序排列。这种显示方法非常特别。行按时间排序。排序按物种每次具有最大值的时间排序。当采用多个组时,对平均值进行排序,然后按顺序排列组,以便产生良好的效果。

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(C)使用随机森林模型训练冬季皮肤的细菌群并使用弹簧数据验证。红色是真实数据预测值和真实值分布,灰色是随机猜测值(控制)。我们看到模型的相关性达到0.77,但红色预测大多是高的,因为春季温度高于冬季,微生物迅速繁殖。如果使用弹簧数据建模,则相关性将更准确。未来的分析将以温度,昼夜温差等因素为模型;天气数据很容易获得,并且至少预测平均温度可进一步提高准确度。

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(D)颜色线表示三种模型中人和鼠,冬季和夏季共享的Top100特征(特征/生物标记)的数量。灰色是随机要素的总数。

我们可以看到人类和大鼠中的特征细菌较少,但真菌更多;人们在不同季节有较高比例的细菌和真菌。也就是说,分解中存在物种差异,这比季节差异大得多。

个人对人类和老鼠皮肤的了解是,没有头发,是一个非常不同的栖息地,会影响菌群的差异,以及分解者的定植。

图2.细菌和古细菌分解物来自多种环境,但主要来自土壤。

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(一)动态贝叶斯推理网络:分解过程微生物分类群神经信息移动网络,土壤是其主要来源。小鼠的四个采样位置是头部,躯干,腹部和土壤。颜色是三种环境,沙漠,草地和森林,所有这些都与土壤微生物显着相关。

这种分析适用于天然样品。在现代社会中,许多人死于人类环境,例如室内和床。这方面也值得研究。有必要获得捐助者和适当的环境。

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(B)所有样品第1天的分解剂丰度。它被认为是低丰度的细菌。

初始分解剂的鉴定更有利于追踪重要线索,例如分解过程中的微生物来源。在实际应用中,它有助于发现真实的犯罪现场。

图3.腹腔中分解的社区的继承

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(A)分解过程动态贝叶斯网络显示了古细菌,细菌,真核微生物和环境因子之间的关系。箭头表示因果关系的方向,并且级别被安排代表继承。

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(B)盲肠组合物Picrust预测KO用于PCoA分析;基因功能随时间不会发生显着变化。 (C)代谢物功能与时间更加不同。使用更改而不是显示发现核心因素的过程如何找到关键点。

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(D)Picrust预测功能基因特异性和尸检特异性基因类型(亚硝酸盐还原酶亚硝酸盐转化为氨盐,赖氨酸脱羧酶形成尸胺; 1,5-戊二胺,鸟氨酸脱羧酶腐胺)变化。

关于使用PICRUSt预测的高级文章,它在人类中仍然是可行的。毕竟,有更多的积累和更高的准确性。关于基因功能类型的选择,有必要具备专业背景知识。本文选择的代谢途径甚至已被外行人听到。这是CNS文章想要的效果。说,说科学。最后,有各种方法来拟合散点图。它可以与公式一起使用,并且变化是无止境的。可以调整各种样式以科学地挖掘数据表达发现的规则。

图4.土壤理化性质对哺乳动物分解的影响

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(A)小鼠死土和天然土壤中pH,氨和氮的变化,误差棒为1个标准差;

它还展示了如何从死土和死亡时间中挖掘出来。

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(B)CCA分析预测代谢功能并结合主要环境因素的关系;

首先,我们可以看到时间序列中样本点的梯度变化。它实际上是环境因素与主轴之间的关系,贡献大小和相关程度。

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(C)死土中谷氨酸降解酸化酶和亚硝酸盐还原相关基因随时间变化。

通过使用死土的微生物群落功能的变化来研究与死亡时间的关系。

这项研究极大地帮助了法医学。即使尸体被移除,土壤识别也可用于判断第一个场景,犯罪时间和其他信息。

研究结论

降解微生物群落(细菌和真菌)表现出固定的变化模式

尸体下方的土壤是降解微生物的主要来源,但土壤类型不会影响降解微生物的组成

小鼠微生物群落的功能组成随时间而变化。亚硝酸还原酶亚硝酸盐转化为氨盐,赖氨酸脱羧酶形成尸胺; 1,5-戊二胺,鸟氨酸脱羧酶腐胺升高

社区进化与许多因素有关,为法医调查提供了更多新的研究思路

研究亮点

珍稀样本(人类遗骸)

实验设计是连续的(冬季和春季六季,不同时间采样)

大采样量(不同采样点,同时实验室和现场)

独特的研究视角(尸体分解)

更多分析角度,丰富的结果

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科学:我们死后哪些细菌被分解?

哺乳动物分解过程中的微生物聚集和代谢功能

1小鼠和人体尸体在不同土壤基质上分解过程中微生物的积累分析; 2一组参与氮循环的细菌和真菌,再生分解者网络将出现在可预测的不同时间点; 3分解主要来自非根际土壤;关键的分解者在土壤中无处不在,但丰富程度低; 4种土壤类型不是影响分解的微生物种群发展的主要影响因素; 5类似地储存在不同的土壤中在尸体分解的“微生物池”中,最终分解尸体的微生物物种会聚。

题目:哺乳动物尸体分解过程中的微生物群落组装和代谢功能

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Metcalf,J.L。等。 (2016)。 “哺乳动物尸体分解过程中的微生物群落组装和代谢功能。”Science 351(6269): 158-162。

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