宏基因組分析流程

一、宏基因組分析流程概述

宏基因組分析是一種以高通量測序技術為基礎，尋找和研究生態環境中所有微生物的基因組信息的方法。它可以更快速地獲得微生物群落的基因組信息，研究微生物在自然生態環境中的功能和相互作用。它的基本流程包括樣本製備、測序、數據分析和生物信息學分析。

二、宏基因組分析的作用

宏基因組分析可以迅速揭示微生物群落組成和功能，探究它們在自然環境中的作用。它可以被應用到生態學、農業、環境保護、醫學等領域中，在實驗室或自然環境中獲得微生物及其基因組的信息。

它不僅可以揭示微生物的群落組成，也可以在環境中發現新的微生物物種，同時可以闡釋這些微生物物種與生態系統的相互作用機制。此外，還可以通過宏基因組分析來研究傳染病毒株中的基因組信息，為疾病預防和治療提供幫助。

三、宏基因組數據分析

宏基因組數據分析流程可以分為三個步驟：預處理、序列分析、分類鑒定，並針對不同的研究目的和實驗要求進行特定的分析。

四、泛基因組分析流程

泛基因組分析是對一組DNA或RNA材料進行全面測序和注釋，以便研究生態環境和生物進化的過程。泛基因組分析的流程包括樣本製備、提取基因組DNA、測序和基因組裝配、基因組注釋和功能預測等步驟。

五、宏基因組分類學分析

宏基因組分類學分析主要是通過分析基因組數據序列中的相似性來對微生物群落進行分類。它可以通過使用聚類和分類算法確定菌種、菌屬、菌類以及未知的微生物菌株，並最終獲得相應的分類學信息。

#基於數據序列的分類算法：OTU聚類法
from sklearn.cluster import OTUClustering

otu = OTUClustering(data)
otu.fit()
otu.plot() #繪製OTU圖譜

六、宏基因組數據分析流程

宏基因組數據分析流程包括 Reads過濾和拼接、OTU聚類、物種分類、代表序列獲取和物種注釋等步驟。在這個過程中需要使用到一些軟件，比如FLASH、USEARCH、QIIME等。

#利用FLASH合併Pair End數據
flash -m 10 -M 250 --allow-outies --output-prefix=PREFIX INPUT_R1.fastq.gz INPUT_R2.fastq.gz

#利用USEARCH進行OTU聚類
usearch -fastq_mergepairs PREFIX.extendedFrags.fastq.gz  -fastq_maxdiffs 10 -fastq_pctid 97  -fastqout PREFIX.merged.fastq.gz 

#利用QIIME進行物種分類和OTU計數
qiime assign_taxonomy
qiime filter_otus
qiime summarize_taxa

七、宏基因組學分析

宏基因組學分析是對物種多樣性的研究，可以評估群落中不同種群的相似度和差異度。通過對多樣性分析的結果，可以更好地了解微生物間的相互關係以及它們在不同環境中的適應性。

多樣性分析可以分為Alpha多樣性和Beta多樣性兩類。Alpha多樣性指的是在單個樣本內測定物種的豐富度和多樣性，而Beta多樣性則是用於比較樣本之間的差異性。

#利用QIIME進行微生物群落Alpha多樣性和Beta多樣性分析
qiime diversity alpha
qiime diversity beta

八、宏基因組測序流程

宏基因組測序流程的主要步驟包括DNA提取、文庫構建、高通量測序和數據分析等步驟。其中，文庫構建階段主要有兩種方法：16S rRNA擴增和全基因組擴增。16S rRNA擴增主要應用於對細菌群落的研究，而全基因組擴增則適用於研究還沒有被描述的微生物種群落。

#16S rRNA擴增的PCR反應過程
PCR Mix1: dNTPs、Taq聚合酶、MgCl2、Buffer、Forward引物、Template DNA
PCR Mix2: dNTPs、Taq聚合酶、MgCl2、Buffer、Reverse引物、Template DNA

PCR反應條件:
步驟1：94°C 3min
步驟2：94°C 45秒
步驟3：50°C 45秒
步驟4：68°C 1min
重複步驟2-4 30-35次
步驟5：68°C 5min

九、基因組分析的主要流程

基因組分析的主要流程包括序列預處理、序列比對、全基因組配對、突變檢測和基因注釋等步驟。基因組裝配可以使用不同的軟件，如SOAPdenovo、ABySS和SPAdes等。而序列比對的軟件主要有Bowtie、TopHat和BWA等。

#使用SOAPdenovo進行全基因組排序
SOAPdenovo-63mer all -s /path/to/asm.config -o outprefix

#使用TopHat進行序列比對
tophat -G genome.gtf -p4 genome_bowtie2_index RNAseq.fastq.gz

#使用GenomeAnalysisTK進行突變檢測和基因注釋
java -Xmx4g -jar GenomeAnalysisTK.jar -T Mutect2 -R reference.fa -I:tumor tumor.bam -I:normal normal.bam -o output.vcf

十、宏基因組可以做多樣性分析嗎

宏基因組測序可以進行多樣性分析，通過對微生物群落的基因組信息進行分析，來揭示不同微生物之間的相互關係以及它們在不同環境中的適應性。多樣性分析可以分為Alpha多樣性和Beta多樣性兩類，用於評價微生物群落的豐富度、多樣性及樣本之間的差異性。