扩增子系列核心微生物分析——别再局限于传统！快来看看新玩法

你说微生物研究卷不卷？

扩增子的分析卷不卷？

说实话，确实卷，并且只会越来越卷，微生物扩增子热点更新越来越快，文章越发越多，所以该怎么办呢？

聪明人就不能被老套路困死，需要开拓新出路啦！

核心物种

大家都有的——多个群落中都识别到的共有物种。

优势物种

最多的——丰度在群落中占绝对优势，会影响群落功能或某个特定的过程。

关键物种

独特地位的，消亡会给群落带来巨大的改变——在微生物组高度连接的、对群落结构和功能中起重要作用且不因丰度和时空变化而改变的物种。

微生物群落核心物种core分析包括什么内容？

核心物种core分析主要包括样本间、组间核心物种识别及可视化：组间Venn图、样本间花瓣图、核心物种箱线图、柱状图、堆积冲击图、饼图、桑基图等。

凌恩生物优势项目-扩增子重磅再升级，打破以往扩增子研究套路，深入微生物群落研究底层逻辑，基于SPEC-OCCU、核心指数方法分析群落核心物种，识别潜在关键物种等！

01.花瓣图

识别在所有样本中均有检出的OTU/ASV，认定其为基于样本的核心OTU/ASV并进行丰度变化和分类学组成分析。

图 Venn图揭示植物根际土壤共有核心物种[1]

（doi：10.1016/j.soilbio.2023.109231）

在文中分析中，为了探索混合土壤对根际细菌群落组成的影响，使用花瓣图比较了ASV水平上的群落特征(平均丰度频率高于0.01%)。与纯健康土壤(D0)中的ASVs(即1752个ASVs)相比，不同混合比例下的ASVs数量在1513~1742之间(图2e)，其中共有894个ASVs在所有比例土壤群落中均存在。结果表明，不同混合比例下的土壤微生物群落融合重塑了植物根际细菌生态群落，改变了从非根际土壤迁移到根际的细菌成员[1]。

02.SPEC-OCCU 分析

SPEC-OCCU（Specificity-Occupancy, 物种的特异性-占有率）方法是生态学中用来分析和识别生态群落中的关键物种的一种方法。关键物种指的是那些对群落结构和功能有重大影响的物种。这个方法通过量化物种的特异性（Specificity）和占有率（Occupancy）来识别这些关键物种。

通过计算了各OTU（ASV）的特异性（specificity）和占有率（occupancy，或称为保真度，fidelity）：来筛选不同分组的特征种：

上式中，ASV S在生境H中的特异性为S在H的所有样本中的平均丰度（NindividualsS,H）与S在研究中所有生境中各生境平均丰度之和（NindividualsS）的比值；ASV S在生境H中的占有率为H的所有样本中出现S的样本数（NsitesS,H）与H的样本总数（NsitesH）的比值。

绘制特异性-占有率（specificity-occupancy，SPEC-OCCU）图，设定x轴为占有率（occupancy），y轴为特异性（specificity），且当特异性和占有率≥0.7的ASV被认为是群落中潜在的关键分类群。

图（a）SPEC-OCCU图显示了每种生境类型中最丰富的1000种ASV;（b）饼状图显示每个生境中关键的ASV比例[2]

（doi：10.1016/j.envres.2024.120262）

通过SPEC-OCCU分析，文章探讨了不同栖息地类型中扩增子序列变异（ASV）的分布及其在各自栖息地中的特异性和占有率。结果表明：在根际细菌群落中，不同栖息地特有种为放线菌门、变形菌门和酸杆菌门。在真菌群落中，关键分类群主要属于子囊菌门和担子菌门[2]。

03.归一化核心指标的计算

本部分的内容通过核心指数计算识别在所有样本中的核心物种，绘制散点图分析结果。

建立核心指数（Core index， CI），计算各类群潜在核心微生物，公式如下：

其中CI为扩增子测序数据集中各分类群的核心指数，f为所有样本中各分类群出现的频率，n为包含各分类群的独立样本个数，s为所有样本中各分类群的序列长度，n为个体实验总数，S为所有样本中各分类群的总序列长度。

采用归一化核心指数（NorCI）确定了中国沿海生态系统的核心类群：

CI’为所研究样本中各类CI的核心指数，CImin和CImax分别为本数据集中的最小和最大CI。

结果中不同颜色代表不同分类学水平（门、纲、目、科、属、种），每一个圆圈代表一个核心OTU/ASV。筛选标准为相对丰度排名前20并且检出率高于50%的OTU/ASV。

参考文献

[1]Qiao Y , et al.Core species impact plant health by enhancing soil microbial cooperation and network complexity during community coalescence.Soil Biology & Biochemistry.2024.

[2]Cui, Ye et al. Effects of volcanic environment on Setaria viridis rhizospheric soil microbial keystone taxa and ecosystem multifunctionality. Environmental research. 2024.

https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2023.109231

https://doi.org/10.1016/j.envres.2024.120262