CN110211629A - 一种评估微生物群落宏基因（或普通生物群落宏遗传）多样性和相似性的概念和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种评估微生物群落宏基因（或普通生物群落宏遗传）多样性和相似性的概念和方法，包括用Hill numbers度量单基因水平(Metagenomic Gene：MG)和功能基因群(Metagenomic Functional Gene Cluster：MFGC)水平的宏基因多样性及其相似性。其中多样性包括alpha‑宏基因多样性、beta‑宏基因多样性和gamma‑宏基因多样性，相似性用于比较两个或两个以上群落宏基因多样性。宏基因多样性指数能有效评估和监测人体、动物以及环境微生物群落的宏基因多样性和相似性，并为菌群相关疾病的研究和诊断治疗以及环境微生物宏基因监测提供科学依据和技术体系。本发明同样适用于宏遗传多样性(Metagenetic Diversity)，可用于评估和监测任何生物群落的宏遗传多样性和相似性。
Description
技术领域
本发明涉及微生物群落宏基因(或普通生物群落宏遗传)多样性和相似性评估概念和方法，特别是涉及一种在单基因水平和功能基因群水平综合评估和监测微生物群落宏基因(或普通生物群落宏遗传)多样性和相似性的概念和方法，并将其应用于评估和检测人体、动物以及环境微生物群落的宏基因多样性和相似性，并为人体(或动物)菌群相关疾病的研究和诊断治疗以及环境微生物宏基因监测提供科学依据和技术体系。
背景技术
生态群落的多样性维持机制一直是生态学研究的核心问题，群落物种多样性的度量指数也随着研究的深入不断发展。在一个生态群落中，不同物种扮演着各自的角色，它们各自的个体数——丰度(Abundance)，能够在一定程度上反映出各个物种的多寡，从而反映出微生物群落的组成结构。目前对生物群落(包括微生物群落)从物种角度研究生态多样性(也称生物多样性)和相似性已经有诸多方法和技术，但从宏基因角度研究群落宏基因多样性和相似性尚无报道。因此，本发明并不涉及物种多样性以及传统的生态(生物)多样性领域
人体时时刻刻被微生物所包围，人体各个部位诸如：肠道、口腔、皮肤、呼吸道、生殖道等含有大量共生菌群，它们与人体的健康和疾病息息相关。人体各个部位成千上万种微生物携带了大量的基因信息。随着测序技术的飞速发展，其已被应用于生命科学研究的各个领域。目前被广泛应用的16s rRNA测序能够对海量的微生物进行物种鉴定，使人们对人体各个部位存在的微生物种类以及数量有了深入的了解。但是16s rRNA数据也仅能检测出物种信息，无法针对微生物群落的功能等做进一步研究。宏基因组测序技术弥补了这一技术缺陷，它能检测出微生物群落包含的基因及其行使的功能。针对不同生境下的微生物群落(或普通生物群落)，通过微生物宏基因多样性或宏遗传多样性的比较，进而推断微生物群落(或普通生物群落)的组成、结构和功能之间的关系。
但是，微生物群落含有的基因数量极其庞大，每个微生物群落的宏基因数量达到数十万甚至上百万。如此庞大的宏基因对应的功能群也有近万种，进而对不同微生物群落之间的比较造成困难。针对宏基因组测序分析产生的庞大的宏基因以及功能基因群数量，说明书以健康人群和慢性肠炎的肠道微生物菌群数据为例，应用Hill的多样性指数，评估微生物群落宏基因和功能基因群的多样性以及相似性，为人体(或动物)菌群相关疾病的研究和诊断治疗提供科学依据和技术体系。
发明内容
本发明的目的在于：
提供一种微生物群落宏基因(或普通生物群落宏遗传)多样性和相似性评估概念和方法，用于在单基因水平和功能基因群水平度量、评估和监测微生物群落宏基因(或普通生物群落宏遗传)多样性和相似性。该方法可用于评估和监测动物、环境微生物的多样性以及任何生物群落的宏遗传多样性。并将其应用于评估和检测人体、动物以及环境微生物群落的宏基因多样性和相似性，为人体(或动物)菌群相关疾病的研究和诊断治疗以及环境微生物宏基因监测提供科学依据和技术体系。
本发明采用的技术方案为：基于Hill numbers度量单基因水平和功能基因群水平度量、评估和监测微生物群落宏基因(或普通生物群落宏遗传)多样性和相似性，具体过程如下：
假设集合群落(Metacommunity)由N个群落(Community)组成，包括有S个宏基因(或功能基因群)，则宏基因(或功能基因群)的alpha多样性为：
其中q表示所计算的多样性的阶数，pi表示第i个宏基因(或功能基因群)在群落中的相对丰度，S表示群落中宏基因(或功能基因群)的总数。
集合群落水平的宏基因(或功能基因群)的gamma多样性为：
其中S表示宏基因(或功能基因群)的数量，N表示集合群落拥有的群落数量，y++表示集合群落中所有宏基因(或功能基因群)丰度总和。yi+表示第i个宏基因(或功能基因群)在所有群落中丰度总和。wj表示第j个群落所有宏基因(或功能基因群)丰度之和在集合群落中的比例。pij表示第j个群落中的第i个宏基因(或功能基因群)的相对丰度。
根据集合群落多样性和群落多样性，则群落间多样性的差异性(beta多样性)定义为：
以beta多样性为基础，衡量群落之间多样性的相似性有四个指数
1)局域群落基因重叠度(Local metagenomic gene overlap)
其中N表示群落数量，q表示多样性的阶数。
2)集合群落基因重叠度(Regional metagenomic gene overlap)
其中N表示群落数量，q表示多样性的阶数。
3)宏基因均一性指数(Metagenomic gene homogeneity measures)
其中N表示群落数量，q表示多样性的阶数。
4)宏基因转折率(Metagenomic gene turnover complement)
其中N表示群落数量，q表示多样性的阶数。
本发明的效果在于：发明了一种微生物群落宏基因(或普通生物群落宏遗传)多样性和相似性评估概念和方法，用Hill numbers在单基因水平和功能基因群水平度度量、评估和监测微生物群落宏基因(或普通生物群落宏遗传)多样性和相似性。该方法可用于评估和监测动物、环境微生物的多样性以及任何生物群落的宏遗传多样性。并将其应用于评估和检测人体、动物以及环境微生物群落的宏基因(或普通生物群落宏遗传)多样性和相似性，并为人体(或动物)菌群相关疾病的研究和诊断治疗以及环境微生物宏基因监测提供科学依据和技术体系。
附图说明
图1是健康人群和慢性肠炎患者肠道微生物群落水平基因多样性在0-4阶的变化趋势。横坐标表示多样性的阶数(0-4)，纵坐标表示多样性的值，圆形的点以及折线表示健康人群的多样性变化趋势，三角形的点以及折线表示慢性肠炎患者的多样性变化趋势。
具体实施方式
以健康人群和慢性肠炎患者的肠道微生物宏基因组数据为例。分别采集71个健康人的样本和71个慢性肠炎患者的样本。对样本进行宏基因组测序，通过测序数据分析计算得到基因丰度数据，功能群数量数据和功能群丰度数据。根据公式(1)-(5)计算基因、功能群数量、功能群丰度在群落水平多样性和群落间多样性的差值指数。表1是71个样本的Alpha多样性的均值和标准误以及Beta多样性50次抽样的均值和标准误。
表1.慢性肠炎患者和健康人群肠道微生物群落基因和功能群的群落水平多样性(Alpha diversity)以及群落之间差异性(Beta diversity)在所有样本中的均值和标准差
**群落水平的多样性(Alpha diversity)无健康人群和慢性肠炎患者之间的结果(N/A)。
Claims (7)
1.一种度量微生物群落宏基因(或普通生物群落宏遗传)多样性和相似性(Similarity)的概念和方法。
2.按照权利要求1所述的方法，度量、评估和监测微生物群落宏基因(或普通生物群落宏遗传)多样性和相似性包括单基因水平(Metagenomic Gene：MG)和功能基因群水平(Metagenomic Functional Gene Cluster)的多样性指数评估概念和方法。
3.按照权利要求2所述的方法，度量、评估和监测微生物群落宏基因(或普通生物群落宏遗传)多样性群落或集合群落的alpha-宏基因多样性、beta-宏基因多样性和gamma-宏基因多样性。
4.按照权利要求2所述的方法，微生物群落宏基因(或普通生物群落宏遗传)相似性用于比较两个或两个以上群落的宏基因多样性。
5.按照权利要求2所述的方法，微生物群落宏基因(或普通生物群落宏遗传)单基因水平的多样性和相似性指基因丰度的多样性和相似性。
6.按照权利要求2所述的方法，微生物群落宏基因(或普通生物群落宏遗传)功能基因群水平的多样性和相似性指根据基因丰度以及注释信息计算的多样性和相似性。
7.按照权利要求1-6任意一条或多条所述的方法，其特征在于：以任何软件、固件和(或)硬件(包括各种医疗仪器、观测仪器)形式实现其概念、算法和功能，从而提供服务的产品。
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