PBJ | 基因组所刘永鑫组综述宿主DNA去除技术的利弊与未来发展方向

2025年10月13日，中国农业科学院深圳农业基因组研究所（岭南现代农业科学与技术广东省实验室深圳分中心）刘永鑫课题组在《植物生物技术杂志（Plant Biotechnology Journal）》上发表题为“Advancing Plant Microbiome Research Through Host DNA Depletion Techniques”的综述论文。论文系统概述了植物宏基因组研究中主要的宿主DNA去除策略，阐述了各方法的优势与局限，并重点介绍了用于微生物富集的新型分子工具，通过借鉴人类与动物领域的相关研究经验，旨在为未来植物微生物组研究提供参考，推动高精度、低成本的群落分析解决方案。

植物体内外栖息着种类繁多的微生物，这些微生物与宿主形成复杂互作网络，共同影响植物的营养吸收、生长发育、抗逆性及病原防御。植物通过根系分泌物、免疫信号及生态位调控塑造其微生物群落，从而建立动态的互惠关系。深入解析植物微生物组对推进可持续农业具有巨大潜力，宏基因组学技术的出现使研究者得以突破传统培养限制，通过直接测序环境样本DNA获取群落结构与功能信息。然而目前宏基因组学在植物微生物组研究中的应用仍受限于多项技术瓶颈。其中核心瓶颈之一是植物样本中宿主DNA的高丰度干扰，尤其在叶际或内生圈等低生物量生态位中更为突出。

为解决这一挑战，研究人员提出了多种宿主DNA去除技术，包括当前主流的宿主DNA去除策略、具体包括物理分离（如过滤、密度梯度离心）、选择性裂解及针对植物细胞壁的酶解处理等方法。此外还有磁珠靶向序列捕获、基于甲基化的富集以及纳米孔选择性测序等先进技术。

尽管这些技术已取得进展，但现有方法在效率、特异性及适用性等方面仍存在局限，这凸显了开发针对性策略及探索新型微生物富集方法的必要性。

在现有方法之外，刘永鑫团队提出两种具有潜力的宿主DNA去除新策略。

一是利用CRISPR-Cas系统，通过设计靶向宿主基因组重复序列或高拷贝区域的gRNA，Cas9可将宿主DNA切割为短片段（如1-2 kb），而微生物DNA仍以长片段形式保留，适配于后续长读长测序。然而，该策略仍面临技术挑战，包括复杂基因组所需gRNA数量庞大、脱靶风险控制及需避免误切微生物DNA等。

二是基于染色质免疫沉淀（ChIP）的宿主DNA去除技术，该技术利用宿主与微生物染色质的结构差异实现富集。甲醛交联使宿主染色质保持稳定，可被抗组蛋白抗体选择性识别并免疫沉淀。微生物DNA则留存于未结合的上清液中，经纯化后可用于宏基因组测序。该策略的关键在于抗体特异性及交联条件优化，以确保广泛适用于不同植物组织与微生物群落。

同时，计算与AI驱动的工具也在快速发展，可在分析阶段进一步去除宿主序列并提升数据解释精度。

改进并标准化宿主去除流程将有助于宏基因组学在更多植物生态位的应用。高效的去宿主技术将使研究者获取高质量的微生物基因组数据，深化功能分析并揭示群落动态。进一步结合转录组、蛋白质组与代谢组等多组学，将有助于系统解析微生物群落在宿主代谢、免疫及环境响应中的动态作用。这些进展正推动生防制剂、生物肥料及合成群落等微生物组技术的应用，促进农业减药增效与生态韧性提升。

基因组所（大鹏湾实验室）王瑶博士后为该论文第一作者，基因组所（大鹏湾实验室）刘永鑫研究员为该论文通讯作者。该研究得到国家自然科学基金、中国农业科学院科技创新工程基础科学研究中心项目的支持。

原文链接：https://doi.org/10.1111/pbi.70379