微生物群落功能預測玩出新花樣

微生物群落研究主要有16S/ITS多樣性測序、宏基因組測序還有宏轉錄組測序等研究手段。其中16S/ITS等多樣性測序由於價格便宜，性價比高而深受廣大微生物研究者喜愛。

隨著業務發展，我們基迪奧的生信團隊也緊跟潮流發展，在最新的16S/ITS多樣性測序報告中提供更多的功能預測服務，其中包括FUNGuild、Tax4fun、FAPROTAX、BugBase等軟體的群落功能預測，下面我們來簡單介紹一下這些軟體的原理和作用：

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Tax4Fun

Tax4Fun與PICRUSt類似，是基於16S的測序結果對群落進行宏基因組的功能預測，主要涉及的預測方向是KEGG類型的通路預測。官方說明表示Tax4Fun的預測結果比PICRUSt更為準確，這可能得益於Tax4Fun的預測是基於SILVA資料庫，而PICRUSt是基於Greengenes資料庫。Greengenes資料庫自2009年開始已經沒有繼續更新，而SILVA資料庫到目前為止還保持每月更新，因此物種信息更為全面。

同時，Tax4Fun的預測是基於已在KEGG上有注釋的通路的OTU進行判斷，而PICRUSt是基於祖先預測，在這些方面上，Tax4Fun的結果確實會更為「真實」。但不足的地方是，Tax4Fun並沒有像PICRUSt的NSTI值類似的嚴格的篩選參數，因此其預測結果的真實性不好評估。因此，在PICRUSt的NSTI值>0.17時，建議兩個軟體的結果都可以作為參考。

不同類型樣本下的Tax4Fun與PICRUSt結果比較[2]

2

FUNGuild

FUNGuild是2016年所發表的一款基於ITS的功能預測軟體。與其說FUNGuild是一種功能預測，我覺得它實際上更接近一種「表型」預測。與PICRUSt不同，由於真菌基因組數據的缺乏，很難走KEGG通路的預測路線。因此FUNGuild是基於已發表的文章數據所整合起來的一種稱為「guild」的分類預測。Guild更類似是一種資源利用吸收所進行的功能分類，其中包括動物病原菌、植物病原菌、木質腐生菌等12類。通過對Guild的預測，可以從另外的生態功能角度研究真菌的功能。

FUNGuild預測結果[3]

３

FAPROTAX

FAPROTAX是一款在2016年發表在SCIENCE上的較新的基於16S測序的功能預測軟體。它整合了多個已發表的可培養菌文章的原核功能資料庫，資料庫包含超過4600個物種的7600多個功能注釋信息，這些信息共分為nitrate respiration, methanogenesis, fermentation 和plant pathogenesis等80多個功能分組。如果PICRUSt在腸道微生物研究更為適合，那麼FAPROTAX尤其適用於生態環境研究，特別是地球化學物質循環分析。

FAPROTAX結果[4]

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BugBase

Bugbase也是16年所提供服務的一款免費在線16S功能預測工具，到今年才發表文章公布其軟體原理。該工具主要進行表型預測，其中表型類型包括革蘭氏陽性（Gram Positive）、革蘭氏陰性（Gram Negative）、生物膜形成（Biofilm Forming）、致病性（Pathogenic）、移動元件（Mobile Element Containing）、氧需求（Oxygen Utilizing，包括Aerobic、Anaerobic、facultatively anaerobic）及氧化脅迫耐受（Oxidative Stress Tolerant）等7類。BugBase比其他軟體的一個好處就是，它不單只可以進行功能的預測，如果同時輸入注釋物種的tag信息，還可以針對不同表型進行統計圖表展示。

ugbase不同表型下的物種統計結果[5]

總結

這幾款軟體針對不同資料庫和marker基因，能夠最大效率地利用多樣性測序數據進行一定的功能分析，這是一個極具性價比的分析手段。同時，不同軟體還可以針對不資料庫進行預測，能夠在不同層面進行研究。如果有興趣的客戶，可以聯繫我們開展相關的分析業務。

表1.各功能預測軟體比較

[1] Gibbons S M. Microbial community ecology: Function over phylogeny[J].NatureEcology & Evolution, 2017, 1: 0032.

[2] A?hauer K P, Wemheuer B, Daniel R, et al. Tax4Fun: predicting functional profiles from metagenomic 16S rRNA data[J].Bioinformatics, 2015, 31(17): 2882-2884.

[3] Toju H, Kishida O, Katayama N, et al. Networks Depicting the Fine-Scale Co-Occurrences of Fungi in Soil Horizons[J].PloS one, 2016, 11(11): e0165987.

[4] Schiff S L, Tsuji J M, Wu L, et al. Millions of Boreal Shield Lakes can be used to Probe Archaean Ocean Biogeochemistry[J].Scientific Reports, 2017, 7.

[5] Thomas A M, Jesus E C, Lopes A, et al. Tissue-associated bacterial alterations in rectal carcinoma patients revealed by 16S rRNA community profiling[J].Frontiers in Cellular and Infection Microbiology, 2016, 6.

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