菌相分析是什麼？ 從基礎概念、微生物體定序到最新應用趨勢

文章摘要 
菌相分析 (Microbiome Analysis) 是一項探究人體或環境中微生物群落組成、多樣性與潛在功能的關鍵技術。隨著定序技術的進步，研究者除了能透過第三代 16S rRNA 全長定序（FL16S）獲得「菌株」層級的物種鑑定，更可利用總體基因體定序（Whole Metagenomic Sequencing, WMS）全面挖掘基因功能與代謝網路。本文將帶您深度了解菌相分析的核心技術及分析流程。

 

一、 什麼是菌相分析 (Microbiome Analysis)？為什麼它如此重要？

菌相分析是指透過高通量定序技術，針對特定環境（例如糞便、口腔、皮膚、土壤、水體）中的微生物群落執行檢測與定序，以了解其組成、相對豐度與多樣性。人體內外分佈著龐大的微生物，其細胞數量約為人類細胞的 10 倍，基因數更是高出 100 倍，因此常被稱為人類的「第二個基因體（Second genome）」。 
 

菌相分析的臨床與生理重要性

• 神經與免疫系統發育：研究證實，腸道微生物在生命早期對神經系統及免疫系統的發育扮演著決定性的角色。
• 健康與疾病的關聯（菌相失衡）：當體內的菌相平衡被破壞（即菌相失衡 Dysbiosis），會對健康產生廣泛影響。研究發現，菌相失衡與阿茲海默症、帕金森氏症等神經退化性疾病，以及發炎性腸道疾病（IBD）、困難梭狀桿菌（Clostridioides difficile）感染等疾病發展高度相關。

 

二、 菌相分析的兩大主流技術：擴增子 (Amplicon) 與總體基因體  (Metagenome) 定序

執行 DNA 層級的菌相分析時，目前主要依賴兩種高通量定序技術。兩者在應用目標與成本上有顯著差異： 

分析維度	擴增子定序（Amplicon Sequencing）	總體基因體定序（Whole Metagenomic Sequencing, WMS）
技術原理	針對高度保守的關鍵基因放大定序（如 16S rRNA、18S rRNA、ITS 區）	擺脫微生物分離培養限制，直接萃取環境樣品中所有 DNA 執行基因體定序
核心優勢	技術成熟、分析相對單純，成本極具經濟效益	獲得微生物基因資訊的「總和」，可精準至菌株層級，並全面挖掘基因功能與代謝網路
主要限制	無法直接提供代謝或功能性資訊，僅能仰賴目標基因變異區分類	生物資訊分析流程相對複雜，易受宿主 DNA 污染（如口腔樣本宿主污染可達 60%–90%），需龐大數據量
數據量	數據需求小	通常建議定序數據量 > 6 Gb（甚至 10 Gb 以上）

延伸服務：
了解圖爾思總體基因體定序（Metagenome Sequencing）如何幫助您精準挖掘代謝路徑與基因功能。

 

三、 擴增子技術突破：從短片段到第三代 16S rRNA 全長定序（FL16S）

16S rRNA 基因全長約為 1500 bp，包含 V1 至 V9 共九個高度變異區。若選擇擴增子定序，過去受限於次世代定序（NGS）的短讀長，通常只能定序 16S rRNA 基因上的部分片段（如 V3–V4），這導致細菌分類多半僅能達到「屬（Genus）」層級。
 

第三代定序的崛起：PacBio SMRT 技術

圖爾思採用的 PacBio 第三代定序平台，透過單分子即時定序（SMRT）並結合 CCS 定序模式，徹底克服了短讀長的弱勢，可產出準確率高達 > 99.9%（Q30 標準）的高品質序列（HiFi reads）。這能輕鬆涵蓋 1.5 kb 的 16S rRNA（V1–V9）全長序列。
 

物種解析度的大幅躍進

擁有全長序列與極低錯誤率的 ASV (Amplicon Sequence Variant) 演算法相結合，能將細菌精確鑑定至「種（Species）」甚至區分出「菌株（Strain）」。例如能準確分辨出具致病性的腸道出血性大腸桿菌（Escherichia coli O157:H7）亞型與無害亞型，徹底突破傳統短片段定序的解析度瓶頸。

 

四、 菌相分析的標準生物資訊流程 (Bioinformatics Pipeline)

獲得定序序列後，需要經過標準化的生物資訊分析才能轉換為具體的生態學意義。主要流程如下：
 

擴增子分析流程（針對 16S / 18S / ITS）

• 去噪與聚類 (Denoising and Clustering)：

高解析度 ASV：現代分析採用 DADA2 演算法，透過錯誤模型將測序錯誤與真實生物變異區分開來，產生零誤差、單核苷酸解析度的擴增子序列變異 (ASV)，提供比 OTU 更高解析度的物種鑑定。

• 多樣性分析 (Diversity Analysis)：

Alpha 多樣性 (Alpha Diversity)：用來衡量單一樣本內的物種多樣性與豐富度（例如：Shannon 多樣性指數、Observed Features）。
Beta 多樣性 (Beta Diversity)：用來比較不同樣本或不同分組之間的菌相群落結構差異（例如：PCoA 主座標分析、Bray-Curtis、UniFrac 距離）。

延伸服務：了解 圖爾思全長16S擴增子定序（Full-Length 16S Amplicon Sequencing）如何幫助您精準鑑定菌相組成。 
 

總體基因體分析流程（針對 Metagenome） 

• Reference-based analysis：將序列比對已建立的微生物基因體資料庫，進而快速得到與資料庫相符的物種與功能註釋等資訊，分析流程在移除宿主基因體後，透過 MetaPhlAn 將序列比對 ChocoPhlAn 資料庫。
• Assembly-based analysis：透過 de novo assembly 將短序列組裝成較長片段，並利用核苷酸頻率與豐度將同種細菌的序列分類在一起（Binning），分群結果比對物種資料庫與預測基因，有機會找到新物種或新基因。 

延伸閱讀：【Metagenome小學堂】我該採取什麼策略分析 Metagenome?

 

五、 菌相分析常見問題 (FAQ)

Q1：菌相分析常見的評估指標有哪些？

A： 菌相分析常見評估指標包含：

• 群落組成（Community Composition）（包含哪些菌種及其相對豐度）
• Alpha 多樣性（單一樣本內的物種豐富度與均勻度）
• Beta 多樣性（不同樣本或實驗組別間的菌相結構差異）

 

Q2：我的研究該選擇「擴增子定序（Amplicon）」還是「總體基因體定序（Metagenome）」？

A： 若您的預算有限且主要目的是探查「有哪些微生物存在」及「多樣性差異」，建議選擇擴增子定序（如 16S 全長定序）；若您需要深入探討微生物群落背後的「功能機制」（如代謝路徑改變、抗藥性基因分布），且預算充足，則強烈建議採用總體基因體定序（WMS），它能精準至菌株層級並提供全面的基因功能註釋。

Q3：總體基因體定序（WMS）可以分析哪些專屬的基因與功能資料庫？

A： 圖爾思的總體基因體定序服務支援極為豐富的資料庫比對，包含但不限於：

• NCBI-RefSeq：精準物種分類註釋。
• KEGG：基因功能與代謝路徑（Pathway）解析。
• COG / eggNOG：蛋白質功能同源家族分類。
• CARD：細菌抗藥性基因（ARGs）鑑定。
• VFDB：病原菌毒力因子分析。
• dbCAN2：碳水化合物活性酵素（CAZymes）挖掘。

 

Q4：採樣時需要注意「宿主污染（Host contamination）」嗎？

A： 需要，特別是在總體基因體定序中。因為定序會檢測樣本中所有的 DNA，若採集口腔或皮膚拭子，宿主（人體）DNA 污染比例可能高達 60%–90%；腸道糞便樣本則約有 30%。為避免微生物序列數據不足，圖爾思生資團隊會協助過濾宿主序列，並建議適度提高定序數據量（例如 > 10 Gb）以保障分析品質。
 

Q5：分析菌相資料需要具備強大的程式編碼能力嗎？

A： 完全不需要。針對 16S rRNA 全長定序，圖爾思累積高達上萬例樣本數量的 FL16S 服務經驗，提供完整的分析內容，並搭配專屬的「FL16S 雲平台」。定序完成後，使用者可直接透過雲端介面一鍵自動產出超過 50 種高品質分析圖表（如 PCoA、Heatmap 等），並自由調整參數與色彩，無需撰寫任何程式碼，節省 99% 的溝通成本。