16S rRNA：菌群研究中的重要工具

16S rRNA：菌群研究中的重要工具

16S rRNA是细菌和古细菌中一个高度保守的基因片段，具有一定的变异性。通过对16S rRNA基因进行测序，可以确定微生物群落中存在的不同菌属和菌种，并评估它们的相对丰度。本文将详细介绍16S rRNA的定义、作用、测序原理以及在肠道菌群研究中的重要价值。

什么是16S rRNA？

16S rRNA（核糖体核糖核酸）是细菌和古细菌中的一个高度保守的基因片段，同时具有一定的变异性。它在原核生物中发挥重要功能，包括参与蛋白质合成的核糖体组装和识别启动子序列的功能。

由于16S rRNA在细菌和古细菌中具有高度保守的序列区域和变异的序列区域，因此它被广泛用于细菌分类和进化研究中。

为什么选择16S rRNA作为分类学和生态学的DNA条形码分子？

要用作DNA条形码，基因应具有以下特征：

• 已知的细菌和古细菌都具有16S rRNA
• 它应该包含足够的系统发育信息
• 容易通过PCR扩增

经过多年的国内外研究和检测积累，我们拥有几乎所有已知细菌和古菌物种的16S序列数据库。通过在这些数据库中搜索16S序列，即使没有严格的分类学知识，也可以识别新分离的菌。

16S的可变区和该选择什么样的PCR引物用于扩增

已知细菌16S之间的序列变异分布不均匀。在细菌中鉴定出9个高变区，分别命名为V1至V9。

从长度来看，全长16S长度为1.5kb左右，单菌落的16S全长sanger一代测序仍然是菌种鉴定的主要手段，纳米孔和Pacbio的三代测序可以高通量的获得全长序列，对于希望更高分辨率的分析菌种的研究有一定优势。

基于大量项目经验和文献调研， 目前最主要的可变区选择是V4区和V3V4区，V4区长度为256bp左右，加上两侧引物长度为290bp左右，使用双端2x250bp或2x150bp可以测通，此外如454、life、Illumina Hiseq 4000, Illumina Novaseq 6000的测序平台读长也可以主要涵盖该区段读长。

细菌名称的控制

细菌的命名法和命名受《国际原核生物命名法典》 （简称《原核生物法典》）的约束 ，但实际物种的分类则不然。例如，大肠杆菌（Escherichia coli）这个名称受《原核生物守则》的规范，但物种本身的特性和分类学分类不受规范。这意味着没有官方分类法，只有名称受到控制。

因此，“有效物种”、“正式物种”或“官方物种”等术语没有意义。只能验证名称，因此可以使用 “具有有效发布名称的物种”。

物种名称是如何形成的？

物种名称应由二项式系统的两部分组成：（1）通用名称和（2）特定词缀。如下示例：

名称被组织成一个层次系统。门（Phylum）、纲（Class）、目（Order）、科（Family）、属（Genus）、种（Species）、亚种（Subspecies）的命名规则和方法遵循国际细菌命名法。

如何验证名称（有效发布）？

要验证名称，该名称应包含在下述列表之一中：

• 批准的细菌名称列表
• 通知列表
• 验证列表

不幸的是，在某些情况下名称无法验证。例如：

• 一个名称在1980年之前被广泛使用，但在1980年没有被列入批准的细菌名称列表。
• 一个名字在IJSEM之外发布，但从未被验证。
• 没有人将PDF和进一步所需的文档发送给 IJSEM 进行验证。
• 该出版物不符合准则的最低要求。

根据原核生物守则， 验证新物种和亚种名称的最低且唯一的要求是：

• 必须指定类型菌株
• 模式菌株应保藏于两个不同国家的两个培养物保藏中心
• 模式菌株必须通过培养物保藏中心可供任何人使用。专利菌株不能作为模式菌株

为什么使用正确的名称和庞大菌群数据库很重要？

细菌名称的设计或命名是为了科学地组织，以提供基于系统发育的生物学见解；使用分层分类系统可以实现这一点。

正确的名称对于解释微生物与其他数据的关联非常重要。例如，我们认为大肠杆菌与其他大肠杆菌物种比与芽孢杆菌物种有更多的表型特征。因此，使用正确的名称对于解释微生物组和其他类型的数据至关重要。

候选物种

在某些情况下，即使一个物种是真实的并且具有科学重要性，也无法满足原核生物守则的基本要求。根据正式命名法，这些物种的名字永远不会得到有效的公布。因此，分类学家创造了“Candidatus”一词来支持暂定命名。

对于Candidatus名称，没有纯培养物或分离株，因此没有典型菌株。由于Candidatus不属于正式命名法，因此不受原核法典管辖。

如何命名一个新的分类单元？

名称最好能代表该物种的典型特征。例如， Plasticicumulans这个名字的意思是“积累的塑料”。该属因积累生物塑料聚羟基脂肪酸酯而得名。

命名新分类单元的另一种流行方式是以人的名字命名。这个人应该有对科学做出贡献，尤其在微生物方面。著名的埃希氏菌（Escherich）和沙门氏菌（Salmon）是以微生物学家埃舍里奇（Theodor Escherich）和萨蒙（Salmon, D.E.）的名字命名的。

此外，以地理位置命名也很流行，但一般不鼓励。