甲烷，化学式CH4，在自然界分布很广，是最简单的有机物，也是最简单的烃。但同时也是一种重要的温室气体，是一种仅次于二氧化碳的强大温室气体，对环境和全球变化具有重大影响，其导致全球变暖潜力是CO2的28倍，约占全球变暖的20%。产甲烷过程和甲烷氧化过程是目前甲烷代谢中研究比较充分的两大途径，而微生物在其中起到了至关重要的作用。全球超过2/3的CH4排放来自微生物生产，产生CH4的微生物（即产甲烷菌）大多是厌氧古菌，栖息在缺氧环境中。

图 甲烷循环中的通路及相关关键基因家族[1]

全新升级宏基因组甲烷循环分析方案

        宏基因组甲烷循环基因分析是利用宏基因组测序技术来破译不同生境下微生物的功能能力和活动，并重建其在甲烷循环过程中的作用。利用illmina测序技术获得生境中微生物基因组序列，通过甲烷循环代谢数据库（MCycDB）对宏基因组数据进行甲烷代谢功能和物种注释。

        该数据库包含298个甲烷循环功能基因并覆盖了10条甲烷代谢通路以及610,208条代表性序列。应用MCycDB对不同生境（热泉沉积物、海洋沉积物、淡水、泥炭地、冻土）的宏基因组测序数据进行物种和功能注释，该数据库能快速准确地分析甲烷代谢的微生物群落的结构和功能，具有高度的特异性、覆盖度和准确性，为研究微生物驱动的甲烷循环及其与其他元素的耦合机制提供保障。

甲烷循环分析结果展示图

甲烷代谢通路相关基因注释表

甲烷循环基因分类丰度热图

甲烷循环基因子分类丰度热图

甲烷代谢相关基因网络图

经典文献案例

题目：宏基因组和转录组学揭示红树林沉积物中产甲烷菌代谢途径展[2]

期刊：Microbiome

影响因子：16.837

DOI：10.1186/s40168-020-00876-z

        红树林是热带、亚热带海岸带海陆交错区生产能力最高的海洋生态系统之一，在净化海水、防风消浪、维持生物多样性、固碳储碳等方面发挥着极为重要的作用。但红树林的沉积物碳不会永久保存，一些有机物会转化为CH4重新释放到大气中，先前研究已证实在红树林沉积物中有产甲烷菌的分布，然而对自然环境中尤其是红树林产甲烷菌的代谢途径和生态作用了解甚少。

        研究从深圳福田自然保护区的潮间带滩涂剖面中以2cm为间隔收集沉积物样本，剖面深度达到32cm，结合宏基因组和宏转录组测序，同时使用引物mlas-mod-F和mcrA-rev-R通过定量PCR确定沉积层中mcrA基因的丰度。结果表明，发现在红树林沉积物中，Methanofastidiosa、Methanomassiliicoccales、Methanomicrobiales和Methanosarcinales是四类主要的产甲烷菌，并首次分析了产甲烷菌在自然环境中的代谢途径。提供了关于甲烷生成中各种甲烷源的相对重要性的见解，并增进了对红树林生态系统中不同甲烷生成途径的理解。

图1 基于16S rRNA基因测序数据构建共发生网络

表1 13个产甲烷菌MAG基因组统计信息

图2 碳循环关键基因与属水平高丰度微生物的共现性网络

图2 系统发育和表达水平分析

图3 预测主要产甲烷菌中的代谢通路

图4 参与三种代谢通路基因的甲烷代谢相关基因相对丰度（a）和表达水平（b）

参考文献

[1] MCycDB: A curated database for comprehensively profiling methane cycling processes of environmental microbiomes. Mol Ecol Resour, 2022.

[2] Genomic and transcriptomic insights into methanogenesis potential of novel methanogens from mangrove sediments. Microbiome, 2020.