摘要：在微观世界的探索中，我们始终面临一个核心挑战：如何准确无误地识别群落中的每一个微生物成员，并理解其功能与相互作用？长期以来，基于二代测序的16S rRNA基因扩增子技术，特别是针对V3-V4等高变区，已成为微生物多样性研究的基石。它以其高通量和相对较低的成本，
在微观世界的探索中，我们始终面临一个核心挑战：如何准确无误地识别群落中的每一个微生物成员，并理解其功能与相互作用？长期以来，基于二代测序的16S rRNA基因扩增子技术，特别是针对V3-V4等高变区，已成为微生物多样性研究的基石。它以其高通量和相对较低的成本，帮助我们绘制了人体肠道、土壤、海洋等无数生境的微生物群落图谱。
随着研究范式从宏观生态描述转向精准的机理解析，传统二代16S rRNA基因检测逐渐呈现出局限性，如仅可精确到属水平，难以对关键物种进行“精确定位”。这制约了我们在更精细尺度上回答科学问题：这个关键的致病菌到底是哪个菌种？这个环境中具有特殊代谢功能的具体是哪个物种？不同治疗方案下，肠道菌群在种水平上的动态变化究竟如何？
因此，物种分辨率的提升对我们的研究极其重要。利用16S全长扩增子测序技术可以实现“种”水平的物种鉴定。那么，这项进阶技术如何实现更精细的物种鉴定？
其核心优势体现在三个层面：
①更完整的信息维度：16S全长多样性的引物覆盖16S全部9个可变区，避免了因选择不同高变区而可能产生的信息偏好，获取了每个微生物最完整的16S rRNA基因序列；
②更精准的测序质量： 采用PacBio SMRT平台的CCS模式进行测序，产生的HiFi读长在保持~1500 bp长度的同时，单序列准确性超过99%，为在种水平进行高置信度的分类鉴定提供了坚实的数据基础。
③更真实的群落还原： 结合上述两点，全长技术能够更逼近真实地还原样本中微生物群落的物种组成，特别是在区分亲缘关系极近的物种时，展现出较大优势，助力深入挖掘与研究相关的关键微生物。
数据表现如何？
下图为分别使用二代和全长多样性技术还原模拟群落的对比。
在种水平上，二代多样性的测序结果中出现mock菌未注释的情况，且注释结果较杂乱；而全长多样性的测序结果完全还原了mock菌中包含的所有菌株，且注释结果一致。因此，二代多样性还无法精确达到“种水平”的分辨率。
下表展示了常见样本类型16S三代全长多样性的物种注释情况：
在种水平上，三代全长多样性的平均注释率较为理想：粪便、肠内容物样本种水平注释率可达90%，土壤、水体等复杂环境样本种水平注释率也可达75%，表明绝大部分OTU/序列都可被注释为明确的物种，这对于我们快速锁定样本中关键微生物具有重要意义。
16S全长多样性研究思路
课题研究可以综合运用多组学技术，开展了全面且深入的分析。首先，借助 16S 全长/ ITS/ 宏基因组测序等手段，进行微生物多样性及差异分析，结合机器学习构建诊断模型并验证，旨在精准诊断疾病。其次，开展临床分子、细胞因子等分析，探究微生物与宿主表型的关联，明确微生物对宿主的作用。最后，通过关联分析等，深入研究微生物与宿主疾病发生、治疗机制的关系，系统解析微生物在疾病发展及治疗中的作用。
当前也有不少美吉合作客户应用16S全长多样性测序技术进行课题研究，发表了高影响因子的文章。
经典案例分享一
英文题目：Honeysuckle-Derived Nanovesicles Regulate Gut Microbiota for the Treatment of Inflammatory Bowel Disease
中文译名：金银花衍生的纳米囊泡调节肠道微生物群以治疗炎症性肠病
发表期刊：Advanced Science
影响因子：14.1
组学技术：16S全长微生物多样性、非靶向代谢组、转录组
2025年9月，美吉客户在《Advanced Science》期刊发文，该研究揭示了金银花衍生纳米囊泡（HNVs）治疗炎症性肠病（IBD）的新机制。
数据首先对比 HNVs 治疗组与模型组小鼠肠道菌群的差异。在菌群层面，HNVs 治疗显著逆转 DSS 诱导的菌群失衡，增加有益菌（Candidatus_Saccharimonas、Eubacterium、Turicibacter）丰度，减少致病菌（Escherichia-Shigella、 Akkermansia、Helicobacter）占比，且 Turicibacter 是 HNVs 治疗组的核心指示菌。发现菌群调控作用后，作者进一步利用代谢组和转录组探究了 HNVs 的治疗机制。
经典案例分享二
英文题目：Akkermansia muciniphila-derived SCFAs improve the depression-like behaviors of mice by inhibiting neuroinflammation
中文译名：Akkermansia粘液粘蛋白来源的短链脂肪酸通过抑制神经炎症来改善小鼠的抑郁样行为
发表期刊：Pharmacological Research
影响因子：10.5
组学技术：16S全长微生物多样性、短链脂肪酸
2025年08月，美吉生物合作客户在《Pharmacological Research》期刊发表研究，揭示黏液嗜酸性 Akkermansia（A. muciniphila）通过肠道菌群-代谢物-脑轴改善抑郁样行为的新机制。
本研究首先通过整合 7 项既往研究数据发现，抑郁受试者（人 / 小鼠）肠道内 A. muciniphila 相对丰度显著低于健康对照，且无研究间异质性（I²=0%，P=0.67），提示该菌丰度降低或与抑郁发生相关。进一步利用慢性束缚应激（CRS）构建小鼠抑郁模型，结合全长微生物多样性技术与SCFAs 检测技术，对比 A. muciniphila 干预组与模型组的菌群及代谢差异。在菌群层面，CRS 模型组小鼠肠道菌群 α 多样性（ACE、Shannon、系统发育多样性）显著降低，β 多样性与健康对照组差异显著（P=0.004），且存在 14 个差异菌属；而 A. muciniphila 干预后，小鼠肠道菌群结构显著恢复 —— 不仅 Akkermansia 属丰度回升并成为优势菌，还逆转了 22 个差异菌属的失衡（其中 11 个属于厚壁菌门），且菌群 α、β 多样性与健康对照组无显著差异。后续进一步探究 A. muciniphila 的抗抑郁机制。证实A. muciniphila可显著提升肠道 SCFAs 水平并可通过循环系统作用于远端组织。
总结
综上所述，在微生物多样性研究从宏观描述迈向精准机制解析的关键阶段，16S 全长扩增子测序技术凭借覆盖 16S 全部 9 个可变区的完整信息，实现贴近真实的群落还原能力。从数据表现来看，无论是完全还原模拟群落中的所有菌种，还是对各种样本类型的种水平注释上均可实现较高水平的注释率，这印证了其在物种精准鉴定上的显著优势。更值得关注的是，美吉生物合作客户借助该技术，结合多组学手段在《Advanced Science》、《Pharmacological Research》等高水平期刊发表研究成果，彰显了 16S 全长扩增子测序技术在推动微生物领域科学研究与应用转化中的重要价值，为后续更精细尺度的微生物功能解析与疾病机制探索提供了强有力的技术支撑。
来源：老何讲科学
