基于Illumina MiSeq高通量测序的燕麦种带细菌多样性及功能分析

doi:10.11686/cyxb2022427

草业学报 ›› 2023, Vol. 32 ›› Issue (7): 96-108.DOI: 10.11686/cyxb2022427

基于Illumina MiSeq高通量测序的燕麦种带细菌多样性及功能分析

张振粉¹^,²(), 黄荣¹^,², 李向阳¹^,², 姚博¹^,², 赵桂琴¹^,²

^1.甘肃农业大学草业学院，甘肃兰州 730070
^2.草业生态系统教育部重点实验室，中-美草地畜牧业可持续发展研究中心，甘肃兰州 730070

收稿日期:2022-10-27 修回日期:2022-11-26 出版日期:2023-07-20 发布日期:2023-05-26
通讯作者: 张振粉
作者简介:张振粉（1984-），男，福建霞浦人，副教授，博士。E-mail： zhangzf@gsau.edu.cn
张振粉（1984-），男，福建霞浦人，副教授，博士。E-mail： zhangzf@gsau.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金(32060369);甘肃省杰出青年基金(20JR10RA562);草业生态系统教育部重点实验室-人才培育项目(KLGE202203);财政部和农业农村部：国家现代农业产业技术体系(CARS-07-C-1)

Seed-borne bacterial diversity of oat and functional analysis based on Illumina MiSeq high-throughput sequencing

Zhen-fen ZHANG¹^,²(), Rong HUANG¹^,², Xiang-yang LI¹^,², Bo YAO¹^,², Gui-qin ZHAO¹^,²

^1.College of Pratacultural Science，Gansu Agricultural University，Lanzhou 730070，China
^2.Key Laboratory of Grassland Ecosystem，Ministry of Education，Engineering Laboratory of Gansu Province，Sino-U. S. Center for Grassland Ecosystem Sustainability，Lanzhou 730070，China

Received:2022-10-27 Revised:2022-11-26 Online:2023-07-20 Published:2023-05-26
Contact: Zhen-fen ZHANG

摘要/Abstract

摘要：

采用高通量测序法，分析 7 份来自不同地区的燕麦种带细菌群落的细菌丰度、Alpha多样性、Beta多样性和物种组成差异，并采用 PICRUSt和FAPROTAX功能预测的方法分析了各种带细菌间的丰度差异。结果显示：1）7份燕麦中共获得5187个细菌可操作分类单元（OTUs），主要归属于33个门、180个目和435个属。2）基于OTUs的丰度及注释信息，7份燕麦种带细菌群落中变形菌门、绿弯菌门、酸杆菌门、放线菌门和蓝菌门为优势菌门，立克次氏体目和鞘脂单胞菌目为优势菌目，鞘氨醇单胞菌属、Solibacter和假节杆菌属为优势菌属。3） Alpha多样性和Beta多样性表明不同燕麦品种的细菌群落多样性和群落结构具有较大差异，其中 LXY-5 具有最大的Alpha多样性。LEFSe分析更进一步显示不同的燕麦品种生物标记的物种不同。4） PICRUSt 和 FAPROTAX 功能预测分析表明，燕麦种带细菌群落主要有代谢、有机系统和人类疾病3个代谢通路，分属于有42个 KEGG 和24个COG的二级代谢途径；FAPROTAX功能注释后共获得52个生态功能。研究结果为明确燕麦种带细菌多样性及开发新型基因资源提供了理论依据。

关键词: Illumina MiSeq高通量测序, 燕麦种带细菌, 生物信息学分析, PICRUSt, FAPROTAX

Abstract:

In this study， the high-throughput sequencing analysis method was used to analyze the difference in bacterial abundance， alpha diversity， beta diversity and species composition of bacterial communities in seven oat varieties from different regions. The PICRUSt and FAPROTAX functional prediction methods were used to analyze the differences in abundance among the seed-borne bacteria in various bands. The results showed： 1） A total of 5187 bacterial OTUs were obtained from the seven oat varieties， mainly belonging to 33 phyla， 180 orders and 435 genera. 2） Based on the abundance and annotation information of the OTUs， we found that Proteobacteria， Chloroflexbacteria， Cyanobacteria and Actinobacteria were the dominant phyla in the bacterial communities of the seven oat varieties. At the order level， the most abundant groups were Rickettsiales and Sphingomonadales. Dominant genera were Sphingomonas， Solibacter and Pseudarthrobacter. 3） The results of α diversity and β diversity analysis suggest that the bacterial community diversity and community structure of different oat varieties were quite different. Notably， variety LXY-5 had the largest alpha diversity. Additionally， LEFSe analysis further showed that the biomarkers differed by species for different oat cultivars. 4） The functional prediction analysis using PICRUSt and FAPROTAX showed that the bacterial community in the oat seed samples mainly comprised three metabolic categories： metabolism， organic systems and human diseases， which could be classified into 42 KEGG and 24 COG secondary metabolic pathways. Moreover， a total of 52 metabolic pathways were obtained after FAPROTAX functional annotation. This study provides a theoretical basis for clarifying the diversity of the bacterial load of oat seed， and potentially can contribute to development of new genetic resources.

Key words: Illumina MiSeq high-throughput sequencing, oat seed-borne bacteria, bioinformatics analysis, PICRUSt, FAPROTAX

张振粉, 黄荣, 李向阳, 姚博, 赵桂琴. 基于Illumina MiSeq高通量测序的燕麦种带细菌多样性及功能分析[J]. 草业学报, 2023, 32(7): 96-108.

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图/表 9

表1 供试种样的来源及相关信息

Table 1 Origin and information of tested seed samples

编号 Code	燕麦品种 Oat varieties	产地 Production region	地理位置 Geographical location	储存年限 Storage year （year）
LXY-1	甜燕麦 Sweet oat	青海西宁 Xining， Qinghai	92°35′ E， 38°26′ N	9
LXY-2	燕麦473 Oat 473	甘肃通渭 Tongwei， Gansu	105°0l′ E， 35°23′ N	5
LXY-3	白燕7号 Baiyan No. 7	甘肃通渭 Tongwei， Gansu	105°0l′ E， 35°23′ N	5
LXY-4	贝勒2代 Baler 2	加拿大 Canada	121°50′ E， 43°83′ N	5
LXY-5	陇燕2号 Longyan No.2	甘肃山丹Shandan， Gansu	101°08′ E， 38°78′ N	6
LXY-6	陇燕4号 Longyan No.4	甘肃天祝 Tianzhu， Gansu	102°79′ E， 37°21′ N	5
LXY-7	陇燕5号 Longyan No.5	甘肃定西 Dingxi， Gansu	104°59′ E， 35°56′ N	5

图1 燕麦种带细菌的测序深度分析

Fig.1 Deep sequencing analysis of bacteria in oat seed-borne bacteria

表2 7个燕麦品种的种带细菌群落Alpha多样性指数

Table 2 Alpha diversity index of seed-borne bacterial community in 7 oat cultivars

样本Sample	Chao1指数Chao1 index	Shannon指数Shannon index	Simpson指数Simpson index	覆盖率Coverage （%）
LXY-1	2861.71±97.59b	7.44±0.92b	0.94±0.04a	96.89±0.01a
LXY-2	2913.72±85.14ab	7.98±0.43ab	0.96±0.02a	96.99±0.01a
LXY-3	2921.24±194.41ab	7.83±0.74ab	0.96±0.02a	96.86±0.01a
LXY-4	2967.91±54.39ab	8.56±0.45ab	0.98±0.01a	97.02±0.01a
LXY-5	3057.15±13.84a	8.61±0.62ab	0.98±0.02a	96.94±0.01a
LXY-6	2974.10±101.12ab	8.53±0.59ab	0.98±0.02a	97.00±0.01a
LXY-7	3064.78±28.90a	8.68±0.26a	0.98±0.01a	96.92±0.01a

图2 燕麦种带细菌在不同分类水平的相对丰度

Fig.2 The relative abundance of oat seed-borne bacteria at different taxonomic levels

图3 7个燕麦品种的种带细菌群落结构的非度量多维尺度分析

Fig.3 NMDS of seed-borne bacterial community structure in 7 oat cultivars

图4 燕麦种带细菌线性判别分析a：物种进化分支图Evolutionary clade of species； b：显著差异物种 LDA 值分布柱状图，筛选标准为P<0.05， LDA值>3。P <0.05 and LDA>3 were the screening criteria for linear discriminant analysis of significantly different species.

Fig.4 Linear discriminant analysis of oat seed-borne bacteria

图5 不同燕麦品种种带细菌KEGG功能多样性热图颜色深浅表示代谢功能表达量与均值的差异程度。以同一样本基因表达量平均值为基准，高于平均值表达量则为正值，标记为红色；反之，低于平均值表达量则为负值，标记为蓝色，下同。Color shades indicate the degree of difference between the expression of metabolic function and the mean. The average value of gene expression in the same sample is used as the benchmark， and the expression above the average is positive， and the mark is red； Conversely， the expression below the average is a negative value and marked as blue， the same below.

Fig.5 Heat map of seed-borne bacteria KEGG functional diversity in different oat varieties

图6 不同燕麦品种种带细菌COG功能多样性热图

Fig.6 Heat map of seed-borne bacteria COG functional diversity in different oat varieties

图7 不同燕麦品种种带细菌FAPROTAX功能多样性热图

Fig.7 Heat map of seed-borne bacteria FAPROTAX functional diversity in different oat varieties

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Seed-borne bacterial diversity of oat and functional analysis based on Illumina MiSeq high-throughput sequencing

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