微生物亚种识别方法的改进和应用

论文摘要

在面对环境压力时,微生物物种的分化和进化是十分普遍的。由此产生的亚种会影响整个群落的功能,特别是环境适应性相关功能,因此亚种识别的解读是微生物组研究中最重要的问题之一。由于同一物种的不同亚种在基因组上的差异极其微小,可能只包含若干单核苷酸多态性（SNP）上的差异,因此基于数据分析方法进行亚种识别,面临着巨大的挑战。尽管目前从微生物数据中检测的SNP在统计分析依然值得怀疑,但亚种识别的准确性在很大程度上仍然取决于对微生物数据的变异识别和分类。基于以上背景,我们开发了一款新的微生物亚种识别方法Strain-GeMS,并在模拟数据和标准数据上验证了其性能,同时将其初步应用到了真实数据的分析中。论文所完成的主要工作有:（1）对现有的微生物群落分类方法,特别是亚种/物种识别方法做了调研。对这些方法的功能模块做了一些比较分析,比较了各方法的优势与不足。（2）基于更好的SNP识别工具和更优的聚类方法,开发了一个新的亚种识别方法Strain-GeMS。在使用Strain-GeMS法进行亚种识别时,首先使用Metaphlan2确定可以做亚种分析的物种,然后使用优化后的MultiGeMS来完成SNP识别,接着对这些SNP做层次聚类并通过SNP-flow来生成所有的亚种模型,最后使用PAM聚类来确定最优的亚种组合模型。在模拟数据和标准数据上的运行结果表明StrainGeMS的亚种识别效果优于其他方法。（3）实现了Strain-GeMS在真实微生物宏基因组数据上的初步应用,发现了不同时间点或者不同环境下亚种情况的差异。随着微生物群落样本数量的迅速增加和亚种鉴定的需要,我们认为StrainGeMS可以成为分析微生物群落亚种间细微差异的重要工具。

论文目录

摘要

Abstract

1 绪论

1.1 微生物及其作用

1.2 微生物群落和分类

1.3 宏基因组学与测序技术

1.4 微生物亚种识别

1.5 课题研究目标、内容及意义

2 Strain-GeMS的开发与测试

2.1 Strain-GeMS简介

2.2 Strain-GeMS涉及的具体软件和方法

2.2.1 16S测序和宏基因组测序

2.2.2 MetaPhlan2 简介

2.2.3 Bowtie2 简介

2.2.4 SNP（单核苷酸多态性）

2.2.5 SAMtools简介

2.2.6 Multi-GeMS简介

2.2.7 Hierarchial clustering（层次聚类）

2.2.8 SNP-flow算法简介

2.2.9 AIC（赤池信息准则）

2.2.10 PAM算法简介

2.3 参与比较的亚种识别方法

2.3.1 ConStrains

2.3.2 MIDAS

2.3.3 Sigma

2.4 亚种识别准确性的量化评估标准

2.5 模拟数据和标准数据

2.6 真实数据

2.7 本章小结

3 微生物亚种识别方法的理论评估以及Strain-GeMS的验证和应用

3.1 对亚种/物种识别方法的理论评估

3.2 Strain-GeMS与Con Strains在模拟数据集上的亚种识别结果比较

3.3 Strain-GeMS和其他几种亚种识别方法的比较

3.3.1 Strain-GeMS和Con Strains、Sigma在模拟数据上的比较

3.3.2 Strain-GeMS和Con Strains、Sigma、MIDAS在标准数据上的比较

3.4 Strain-GeMS 在真实数据上的应用

3.4.1 Strain-GeMS在微生物时序数据上的应用

3.4.2 Strain-GeMS在不同疾病相关的人类肠道微生物数据上的应用

3.4.3 Strain-GeMS在不同民族/国家人类肠道微生物数据上的应用

3.4.4 Strain-GeMS在海洋微生物数据上的应用

3.4.5 Strain-GeMS在真实数据上应用小结

3.5 本章小结

4 总结与展望

致谢

参考文献

附录攻读硕士学位期间发表论文

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 谭重阳

导师: 宁康

关键词: 微生物,宏基因组,单核苷酸多态性,亚种识别

来源: 华中科技大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 生物学

单位: 华中科技大学

分类号: Q939

DOI: 10.27157/d.cnki.ghzku.2019.002350

总页数: 62

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微生物亚种识别方法的改进和应用

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