由于新技術(shù)平臺，DNA測序通量的快速增長推動了測序微生物基因組數(shù)量的增加，并推動了這些數(shù)據(jù)更多地可用于研究界。傳統(tǒng)上，鑒定選擇用于測序的微生物通?；趩蝹€通用標(biāo)記基因來確定。然而，最近，研究人員已經(jīng)注意到，全基因組信息已經(jīng)可用的微生物的身份并不總是與下一代高通量測序出現(xiàn)之前常用方法確定的同一性相匹配。

在2015年7月6日在線發(fā)表于核酸研究(NAR)的一項研究中，來自美國能源部聯(lián)合基因組研究所(DOE JGI)的研究小組，DOE科學(xué)用戶設(shè)施辦公室及其合作者開發(fā)并評估了幾十年來微生物學(xué)家依賴的傳統(tǒng)方法對微生物物種進(jìn)行分類的新方法 - 可根據(jù)需要進(jìn)行補(bǔ)充。研究第一作者DOE JGI的Neha Varghese說，微生物物種標(biāo)識符(MiSI)方法滿足了“對系統(tǒng)，可擴(kuò)展，客觀的微生物物種分配技術(shù)的長期需求”。

“基于快速，基因組序列的方法”

標(biāo)準(zhǔn)的全基因組方法依賴于小亞基核糖體RNA基因(16S rRNA); 在沒有測序的情況下，研究人員使用DNA-DNA雜交，表型信息 - 基因分型，表型分型或微生物共享的化學(xué)化合物分類等方法來獲得微生物分類所需的信息。在DOE JGI開發(fā)的MiSI方法主要依賴于基因組測序，并且是用于確定兩個基因組的密切關(guān)系的兩個度量的組合：全基因組平均核苷酸同一性(gANI)和比對分?jǐn)?shù)(AF)。計算工具開發(fā)是DOE JGI十年戰(zhàn)略愿景的關(guān)鍵要素，這對于表征復(fù)雜的生物和環(huán)境系統(tǒng)以支持DOE的研究任務(wù)以及該研究所與國家能源研究科學(xué)計算中心(NERSC)的合作至關(guān)重要。

“微生物學(xué)的科學(xué)家和實(shí)踐者將非常欣賞這種基于快速，基于序列的方法提供的微生物世界的強(qiáng)大，廣泛的分類組織，”密歇根州立大學(xué)微生物生態(tài)學(xué)中心主任Jim Tiedje說。“它為識別細(xì)菌提供了更加準(zhǔn)確和明確的方法。” 大草原土壤 Metagenome 大挑戰(zhàn)項目的 DOE JGI合作者，Tiedje和他的前學(xué)生Kostas Konstantinidis，該研究的共同作者之一，聯(lián)合開發(fā)了原始由DOE JGI團(tuán)隊修改的全基因組gANI指標(biāo)作為MiSI方法的基礎(chǔ)。

由Tiedje和Konstantinidis開發(fā)的gANI方法中的算法使用在整個基因組上采樣的片段和國家生物技術(shù)信息中心(NCBI)工具基本局部比對搜索工具(BLAST)進(jìn)行序列比對。通過使用基因的核苷酸序列和基于BLAST的修改的相似性搜索，MiSI顯著加快了計算速度 - 大約10倍。

該團(tuán)隊在一個龐大的數(shù)據(jù)庫中實(shí)施了MiSI方法，該數(shù)據(jù)庫包含從綜合微生物基因組(IMG)數(shù)據(jù)庫中選擇的超過13,000種細(xì)菌和古菌的高質(zhì)量基因組。然后將這些基因組分類為由集團(tuán)或集團(tuán)所代表的集群，其中連通性由基因組相似性(進(jìn)化距離的替代)決定，因此，首次允許研究人員繪制基因組如何相互關(guān)聯(lián)。大的系統(tǒng)發(fā)育空間。

這些集團(tuán)的完全連接性質(zhì)幫助團(tuán)隊識別高度保守的物種核心，而團(tuán)體群體的半連接性質(zhì)有助于識別可以在分類學(xué)上重新審視的物種。此外，由于聚類僅基于基因組相關(guān)性，因此該團(tuán)隊能夠使用該方法確定未培養(yǎng)的生物體是否與現(xiàn)有物種相關(guān)或是否是新的候選物種。

“物種鑒定的通用方法”

“使用這種方法轉(zhuǎn)化微生物學(xué)的意義不容小覷，”原核生物超級計劃負(fù)責(zé)人兼本研究共同作者Kyrpides說。“我們現(xiàn)在有一種通用的方法可以識別所有古細(xì)菌和細(xì)菌，它們依賴于整個基因組，而不是單個基因或少量標(biāo)記基因。當(dāng)應(yīng)用于目前可用的所有測序基因組時，這種方法使我們能夠觀察到物種的進(jìn)化，通過我們稱之為集團(tuán)的群體來表現(xiàn)。也許我們觀察到的最引人注目的觀察之一是，超過一半的物種中有超過一個具有一個以上測序的基因組，至少有一個基因組被錯誤命名。“

Kyrpides繼續(xù)說，“這種方法也揭示了長期爭論的微生物物種問題。事實(shí)上，超過86%的所有微生物物種已經(jīng)被測序的多個基因組被分組成不同的團(tuán)體，強(qiáng)烈支持微生物物種的概念，而不是微生物物種之間的遺傳連續(xù)性概念，觀察到少數(shù)物種，約占5%。隨著微生物基因組測序數(shù)量的爆炸，觀察這些觀察結(jié)果如何演變將是非常有趣的。“