研究揭示如何从海洋样本中获得高质量DNA

海洋作为地球上最大的生态系统，其生物多样性仍未得到充分研究，其中部分原因是特定生态位的可及性较低，如海底沉积物或北极地区。这个问题对于原核生物群落来说尤其严重，因为大多数原核生物是不能培养的，或者需要非常特殊的生长条件。

宏基因组学作为研究微生物种群生态分布、群体遗传特征和基因相互作用的新兴学科，已成为研究海洋微生物群落的有力工具。它可以绕过分离和培养步骤来估计环境微生物的真实多样性和丰度。然而，获得适合下游基因测序应用的高质量环境DNA是一项具有挑战性的任务。

图源：wikimedia commons/ public domain

从自然来源中纯化高质量的宏基因组DNA面临着各种挑战。样品处理、DNA纯化方法的选择，甚至均质技术都会显著影响最终的群落组成。分离DNA的质量和数量在很大程度上取决于纯化程序的选择和样品的类型。为一种新材料选择合适的DNA分离方法往往需要漫长的试错过程。此外，每种DNA纯化方法都会有偏差，从而影响所研究群落的组成。

为了解决这些问题和偏差，研究人员使用八种DNA分离试剂盒系统地研究了三种类型样本（水、海洋沉积物和长牡蛎的消化道）的DNA纯化效率。对每个试剂盒-样品组合测量了纯化DNA的数量，DNA片段化程度，PCR抑制污染物的存在，真核DNA混合物，Alpha多样性以及基于16S rRNA扩增子测序的所得群落组成的可重复性。

在常规的宏基因组分析中，常常需要加入阴性对照样本，以确定DNA提取试剂盒中存在的微生物，即所谓的kitome。该研究中也确定了一个“Kitome”，例如，所使用的每种纯化试剂盒固有的一组污染分类群。由此产生的评估参数矩阵可为给定类型的样品选择最佳的DNA纯化程序。该研究发表于《科学报告》(Scientific Reports)。

研究人员表示，虽然宏基因组研究正在积极发展，但仍然没有共同的标准来处理海洋样本。“自然样本非常具体，我们的目标是分离出高质量的DNA，从而实现长读段测序。事实证明，没有适合每种类型海洋样本的标准技术。”

“从头开始创建它是一项非常漫长，昂贵且耗时的任务，因此我们专注于现成的商业套件，并检查其中哪些可以为不同类型的海洋样本产生最佳质量的结果。”

同时，研究人员也指出研究的局限性，因为许多附加参数，如采样、储存和均质程序的细节，会影响纯化DNA的质量和群落组成。此外，使用环境样本进行试剂盒基准测试不能确定特定细菌分类群的试剂盒偏差。尽管如此，通过一组8种DNA纯化程序，从最初相同的环境样本复制品中纯化DNA，使我们能够表征样品特异性偏差，并突出具有最高性能的试剂盒。研究结果有助于选择最适合的不同类型海洋样本和下游应用DNA分离技术，也可以根据这些试剂盒的标准建议进一步开发更详细的DNA纯化方案。

【注】：长读长测序是一种DNA测序技术，与传统的短读长测序方法相比，它可以对更长的DNA片段进行测序。尽管短读长测序能够捕获多数遗传变异，但长读长测序能够检测短读长难以检测的复杂结构变异，包括，大片段的倒位、缺失，或易位，其中某些结构变异与遗传疾病等领域相关。

整理：Sara 审核：Daisy

参考资料：

https://www.nature.com/articles/s41598-023-48804-z

Demkina A, Slonova D, Mamontov V, et al. Benchmarking DNA isolation methods for marine metagenomics[J]. Scientific Reports, 2023, 13(1): 22138.

DOI: 10.1038/s41598-023-48804-z

https://biotech.aiijournal.com/CN/Y2012/V0/I07/32

https://www.chinagut.cn/articles/ss/839f2dc0bba54cedb73f28254fac994b

https://www.illumina.com.cn/science/technology/next-generation-sequencing/long-read-sequencing.html