doi: 10.15389/agrobiology.2013.4.76rus

УДК 579.6/.8:631.46:575.852'1

КОНЦЕПЦИЯ ТАКСОНОМИЧЕСКОГО ПРОСТРАНСТВА И ИНТЕГРАЛЬНАЯ ОЦЕНКА СДВИГОВ В СТРУКТУРЕ МИКРОБНЫХ СООБЩЕСТВ ПО ДАННЫМ АНАЛИЗА БИБЛИОТЕК ГЕНА 16S-рРНК

Е.В. ПЕРШИНА1, А.С. ДОЛЬНИК2, А.Г. ПИНАЕВ1, К.А. ЛОШАКОВА1,
Е.Е. АНДРОНОВ1

Проблема таксономической структуры и динамики сложных микробиомов животных, человека, растений, почвы — одна из наиболее интригующих в современной микробиологии. Технологии высокопроизводительного секвенирования при изучении разнообразия микробных сообществ по полиморфизму генов 16S-рРНК позволили существенно увеличить объемы получаемых метагеномных данных, однако их корректный анализ и биологическая интерпретация вызывают затруднения, в частности в связи с эффектом избирательной амплификации с универсальными праймерами и собственно атрибутированием образцов. Для решения описанных проблем мы создали специальную операционную среду — таксономическое пространство (ТП), в котором последовательности гена 16S-рРНК представлены точками, геометрические расстояния между которыми соответствуют генетическим дистанциям между соответствующими последовательностями. Картирование данных по биоразнообразию гена 16S-рРНК в предлагаемом ТП и представление микробного сообщества как надорганизменной системы с присущими ей интегральными параметрами имеет ряд преимуществ перед традиционными подходами к оценке биоразнообразия. Так, в рамках ТП, где каждая последовательность гена 16S-рРНК получает собственный идентификатор из 42 координат, можно анализировать неатрибутированные последовательности в любой ампликонной библиотеке. Хотя описанное в работе ТП в строгом смысле не является многомерным математическим пространством (в частности, оси ТП взаимозависимы), полученные крайне высокие коэффициенты корреляции попарных генетических дистанций между последовательностями и их геометрическими аналогами, безусловно, свидетельствуют в пользу обоснованности применения ТП на практике. Развитие концепции ТП имеет большое значение не только при анализе структуры микробных сообществ, но и для изучения эволюционной истории гена 16S-рРНК. Поскольку модель позволяет дать описание любому его варианту (реализованному и еще не реализованному в ходе эволюции), в ее рамках могут решаться вопросы, связанные с происхождением и дивергентной эволюцией прокариотных таксонов (например, возможно определение гипотетического центра его происхождения, и тогда ТП реорганизуется в эволюционное пространство). В качестве экспериментальных объектов нами использованы разные почвенные микробиомы, в том числе смоделированы их изменения под воздействием условий среды (засоление). Однако предложенный в работе математический метод универсален и может быть использован для изучения не только биоразнообразия прокариот, но и сообществ эукариотических организмов (в том числе животных и растений; перспективным таксономическим маркером в этом случае будет ген 18S-рРНК).

Ключевые слова: микробиом, почва, засоление, 16S рРНК, таксономическое пространство.

 

Полный текст

 

THE CONCEPT OF TAXONOMIC SPACE AND INTEGRAL ESTIMATES OF SHIFT IN THE STRUCTURE OF MICROBIAL COMMUNITY BASED ON ANALYSIS OF 16S rRNA GENE LIBRARIES

E.V. Pershina1, A.S. Dol'nik2, A.G. Pinaev1, K.A. Loshakova1, E.E. Andronov1

The problem of taxonomic structure and dynamics of soil, plant animal and human microbiomes is one of the most intriguing in modern microbiology. High Performance Technologies sequencing of the 16S rRNA gene allows to get much more metagenomic data, but their correct analysis and biological interpretation are still complicated, in particular with regard to the effect of selective amplification with universal primers and proper attribution of the samples. To resolve the problems, we created a special operating environment, the taxonomic space (TS), in which the sequences of 16S rRNA gene are represented by dots, geometric distance between which corresponds to the genetic distance between the sequences. Mapping the 16S-rRNA gene biodiversity data in this TS and evaluation of the microbial community as overorganism, with its integral parameters, have a number of advantages if compared to the traditional approaches. Thus, in the TS where each sequence of the 16S rRNA gene gets its own identifier of the 42 coordinates, the unattributed amplicons in any PCR-library can be analyzed. Although the described TS is not strictly a multi-dimensional mathematical space, in particular, its axes are interdependent, an extremely high correlation coefficients, obtained for genetic distances between sequences and their geometric counterparts, unconditionally, testify in favor of the validity of the use of TS in practice. The development of TS concept is of great importance not only in the analysis of the structure of microbial communities, but also in imvestigation of 16S rRNA genes evolution. Since the model allows to give a description for any variant, both realized and not yet realized in evolution, the issues related to the origin and divergent evolution of prokaryotes may be investigated, for example, the hypothetical center of origin can be determine, and then the TS will become an evolutionary space. As a model, we used different soil microbiomes in which the changes were induced by environmental conditions (salinity), both natural and simulated. However, the application of this approach can be extended to other complex microbiomes, particularly the microbiota in animals. Moreover, the proposed mathematical method is universal and can be used to study not only biodiversity in prokaryotes, but also the communities of eukaryotic organisms, including animals and plants, with the 18S rRNA gene as a taxonomic marker.

Keywords: microbiom, soil, salinization, 16S rRNA, taxonomic space.

1ГНУ Всероссийский НИИ сельскохозяйственной
микробиологии Россельхозакадемии,

196608 Россия, г. Санкт-Петербург, Пушкин-8,
ш. Подбельского, 3,
e-mail: eeandr@gmail.com;
2Санкт-Петербургский государственный университет,
199034 Россия, г. Санкт-Петербург, Старый Петергоф, Университетский просп., 28,
e-mail: alexander.dolnik@gmail.com

Поступила в редакцию
25 сентября 2012 года

 

назад в начало