许多微生物无法在实验室环境中培育，妨碍了解地球微生物多样性的尝试。由于微生物在从养分循环，碳处理，表土肥力，植物和森林的健康和生长等环境过程中都有很大的参与，并且至关重要，因此，准确地描述它们作为理解其活动的基础，能源部(DOE)的主要目标。一种方法是研究从复杂的微生物群落或宏基因组中提取的收集的DNA，以描述其DNA编码的“部分”目录，并了解微生物如何响应和适应环境变化。研究人口而不是个人会在知识的道路上产生不同的障碍。

“对于宏基因组学，”加州大学伯克利分校和劳伦斯伯克利国家实验室地球科学部的Jillian Banfield说，它是DOE联合基因组研究所(DOE JGI)的长期合作者，DOE JGI是DOE科学用户设施办公室，“它就像从许多不同谜题的混合物中重建谜题 - 并且不知道它们中的任何一个是什么样的。“部分问题在于更常用的测序机器生成短长度或碎片的数据，大约为几百碱基对DNA。另外，短读装配者可能无法区分相同或相似序列的多次出现，因此要么无法将它们置于正确的上下文中，要么完全从最终装配中消除它们，就像拼图拼图和许多看起来相同的小块一样，很难。其结果是缺口表明社区中的所有微生物都不能通过环境基因组学的应用来识别。

在2015年4月版Genome Research封面上发表的一项研究中，包括DOE JGI和伯克利实验室研究人员在内的研究人员对使用下一代Illumina测序仪的两种方法进行了比较，其中一种方法 - TruSeq合成长读数 - 显着更长读取比另一个。Metagenome数据来自位于科罗拉多州Rifle的Berkeley Lab领导的DOE地下生物地球化学野外研究站点，由Banfield领导的团队生成。他们评估了由两种Illumina技术产生的序列重建的基因组的准确性，以了解更多关于微生物存在的数量低于其他微生物，并更好地确定宏基因组样品的物种丰富度。

该项目是伯克利实验室基因组到流域科学重点区域(SFA)的一部分，该区域涉及来自伯克利实验室和其他机构的50多名科学家，包括加州大学伯克利分校，太平洋西北国家实验室，科罗拉多矿业学院和橡树岭国家实验室。 。基因组到流域的SFA由地球物理学家Susan Hubbard领导，他是伯克利实验室地球科学部门的负责人。其目标是开发一种方法，以获得对从基因组到流域尺度的复杂的，基于生物学的系统相互作用的预测性理解。吉尔班菲尔德是代谢潜能的共同领导者该团队项目的一个组成部分，侧重于表征介导碳和电子通量的地下微生物群落中的流行代谢途径，并利用该信息为基因组启用的流域反应性运输模拟器提供信息。班菲尔德在本视频中描述了SFA工作中的代谢潜能成分，她的一些近期其他与该项目相关的其他突破性地下经济学研究结果可以在这里找到。

重新审视科罗拉多州步枪的微生物群落

在研究中，该团队使用了从科罗拉多河附近的含水层采集的沉积物样本，这些样本已用于以前的实验。对于其中一项早期工作，DOE JGI对Rifle Site微生物群落进行了测序，并能够从短读组件中完全重建以前未知生物的高质量基因组。此外，调查结果显示，样本中发现的许多细菌和古细菌先前未被识别或取样。

在他们的研究中，研究人员将Illumina的短读技术生成的序列和组件与更新，更长读取技术的数据进行了比较，该技术可生成大约8,000个碱基对的读取长度。他们发现，阅读时间越长，社区的多样性就越多。例如，使用短读取技术，他们之前在沉积物样本中确定了超过160种微生物物种。然而，使用较长读取技术，可以对来自样本的400多种微生物进行系统发育分类，尽管有些只占社区的0.1%。

该研究的第一作者，加州大学伯克利分校的Itai Sharon指出，由于样本中存在密切相关的物种，他们还发现了之前未能组装的物种。这些近亲，占社区的15%，使装配算法混乱。“这些种群很少被短读组装错过，因为装配者往往在存在多个密切相关的物种和菌株时失败。使用我们开发的用于分析长读数的算法，我们能够为这些群体重建基因组结构，“他说。

“将分析进一步扩展到丰度较低的物种表明至少有2,100种不同的物种存在，”该团队报告说。“因此预计物种的真实数量要高得多 - 可能在数千或数万种不同物种的范围内。”

更长时间读取添加到测序功能的值

结果之间的差异表明，尽管进行了大量的测序工作，但由于覆盖不充分，短读取数千个稀有基因组的组装失败。另一方面，较长的读数揭示了先前未检测到的微生物物种的“长尾”，其在宏基因组样品中以非常低的丰度存在。此外，即使有足够的测序覆盖范围，短读数也可用于密切相关的基因组。使用长读取可以重建大多数这些基因组的基因顺序。

“根据短期和长期阅读数据的可用性，我们可以利用基因组序列信息探索稀有和更丰富的生物体的种群多样性，分类多样性和生物体丰度水平的模式，”该团队报告说。“总体而言，短期和长期阅读数据为宏基因组研究提供了互补优势，从而使得这两种技术的使用比单独使用这两种技术更加强大。”

DOE JGI Metagenome项目负责人Susannah Tringe指出，虽然步枪研究来自社区科学项目(CSP)，但本研究中进行和报告的长读分析部分是由DOE JGI的新兴技术机会计划(ETOP)推动的。 。该计划于2013年启动，旨在开发和支持DOE JGI可以建立的选定新技术，以增加其目前为其用户执行的高通量测序的价值。“我们不只是想要了解Rifle，而是如何利用这些技术通过ETOP了解微生物群落，”她补充道。首届ETOP周期侧重于六项能力其中一个是Banfield的项目。这种新的测序方法的关键产量是对采样点内微生物群落的更详细的表征; 这不仅提供了对在该位点发生的微生物介导的过程的更好理解 - 其中可包括碳捕获，污染物修复，或植物和其他可能具有生物能源利益的有机材料的分解 - 但也发现了新的DOE任务感兴趣的基因和酶。

DOE JGI社区科学计划(CSP)现在接受针对DOE任务的大规模基于序列的基因组科学项目的意向书。今年的重点领域包括极端环境，包括深层地下。有关更多信息，请访问http://bit.ly/JGI-2016-CSP。意向书的截止日期为2015年4月16日。