一文讲透微生物组中的绝对丰度和相对丰度！

在微生物组（宏基因组和16S rRNA测序）研究中，我们经常会听到“绝对丰度”和“相对丰度”这两个词。那么，它们究竟是什么意思？为什么要区分它们？本文将为大家简单科普，并附上如何在R语言中进行转换的代码，方便大家在自己的研究中应用。

什么是绝对丰度？

绝对丰度指的是特定微生物在样本中的实际数量，通常以“每克/毫升样本中含有的微生物细胞数量”来表示。它直接告诉我们样本中到底有多少微生物。

举个例子：
在一个水样中，我们测量出有100,000个细菌A和200,000个细菌B，那么这就是细菌A和细菌B的绝对丰度。

绝对丰度的数据通常通过定量PCR（qPCR）等方法获得，需要额外的实验步骤和精确的测量工具。

什么是相对丰度？

相对丰度描述的是某一微生物在所有微生物中的占比。换句话说，相对丰度不告诉你微生物的实际数量，而是告诉你在总量中的比例是多少。相对丰度的总和通常为100%（或者1）。

举个例子：
假设我们在样本中检测到一共300,000个细菌，其中细菌A占100,000个，细菌B占200,000个。那么：

· 细菌A的相对丰度 = 100,000 / 300,000 = 33.33%

· 细菌B的相对丰度 = 200,000 / 300,000 = 66.67%

相对丰度的计算非常简单，而且由于总数归一化，它不会受样本总量的影响。我们通常会使用高通量测序技术（如16S rRNA测序）获得相对丰度数据。

绝对丰度和相对丰度有什么区别？

两者的主要区别在于：

· 绝对丰度告诉我们实际的微生物数量，能反映样本中微生物的真实情况。

· 相对丰度告诉我们微生物之间的比例，可以看出不同微生物之间的相对差异。

但是，相对丰度的一个局限性是，如果样本的总量变化了，它可能无法准确反映出某一微生物的真实变化。例如，如果细菌A和细菌B的数量都减少了，但它们的比例没有变，那么从相对丰度上看，似乎样本没有变化，但绝对丰度会告诉我们实际数量在减少。

什么时候使用绝对丰度，什么时候使用相对丰度？

· 绝对丰度：如果你想了解微生物的实际数量（例如在疾病监测中），那么绝对丰度更为可靠。

· 相对丰度：在只关心微生物群落结构（谁比谁多）的研究中，相对丰度可能更常用，因为它能够展示群落内部的比例关系。

16S rRNA测序中的绝对丰度和相对丰度

16S rRNA测序是一种常见的用于分析微生物群落结构的技术。它通过扩增细菌和古菌的16S rRNA基因，来确定样本中的微生物种类。
在16S测序中，常用的是相对丰度，因为测序结果通常给出的只是每种细菌的序列读数（即OTU或ASV），而非实际数量。测序深度和效率的差异可能影响各个样本的总序列数，所以我们经常将每个物种的序列读数转换为相对丰度，以便不同样本之间进行比较。

16S测序中的绝对丰度：

· 要获得绝对丰度，你需要通过其他技术（如qPCR或流式细胞术）来定量样本中的总微生物数量。将这个数量乘以相对丰度，才能得出每个物种的绝对丰度。

例如：

· 如果qPCR测量出样本中有100万个细菌总数，且细菌A的相对丰度为20%，那么细菌A的绝对丰度就是100万 × 20% = 200,000个细菌。

总结：
在16S测序中，相对丰度是常见的分析方法，因为它消除了测序深度不同带来的影响。如果需要获得绝对丰度，必须结合定量的手段来补充数据。

宏基因组测序中的绝对丰度和相对丰度

宏基因组测序则是通过直接测序样本中所有微生物的基因组，分析更加全面，因为它不仅能够检测细菌，还可以捕捉到真菌、病毒等其他微生物的遗传信息。这种测序技术提供了更高的分辨率，能够直接获得微生物的功能信息。

与16S rRNA测序类似，宏基因组测序通常也主要使用相对丰度进行数据分析。这是因为宏基因组测序的总读数也会受到测序深度的影响，各个样本之间的总读数差异可能较大。因此，直接使用相对丰度可以使不同样本之间的数据具有可比性。

宏基因组中的绝对丰度：

· 要获得每个物种的绝对丰度，你需要有样本的总微生物数量数据。与16S rRNA测序相同，可以通过qPCR或者其他定量手段来估算总丰度，再结合宏基因组测序的相对丰度，计算每种微生物的绝对丰度。

宏基因组 vs. 16S测序中的丰度选择

16S rRNA测序通常更适合用于快速了解微生物群落的组成及其变化，尤其是在成本有限的情况下。其相对丰度计算简便，但由于只测序了16S基因的特定片段，分辨率有限，且难以获得确切的绝对数量。

宏基因组测序能够捕捉更多种类的微生物信息，包括细菌、病毒、真菌等，并能深入分析微生物的功能特征。这种测序技术虽然成本较高，但能提供更详细的信息，包括基因功能和生态作用。和16S一样，宏基因组测序主要依赖相对丰度分析，除非结合定量手段，否则无法直接得出绝对丰度。

如何进行绝对丰度和相对丰度的转换？

从绝对丰度转为相对丰度

我们可以很容易地将绝对丰度转换为相对丰度，只需要将每个物种的绝对丰度除以所有物种的总丰度即可。

公式：
相对丰度 = (某物种的绝对丰度) / (所有物种的绝对丰度总和)

从相对丰度转为绝对丰度

要将相对丰度转换为绝对丰度，我们需要知道样本的总微生物数量。只需将相对丰度乘以总丰度即可。

公式：绝对丰度 = 相对丰度 × 总丰度

在R中进行16S或宏基因组丰度转换的代码示例

无论是16S还是宏基因组测序，计算相对丰度和绝对丰度的基本方法是一样的。以下是如何在R中应用的代码示例：

1. 16S rRNA或宏基因组测序的绝对丰度转相对丰度

2. 相对丰度转绝对丰度（需要样本总丰度）

比对得到的reads数是绝对丰度吗？

比对得到的reads数并不能直接称为绝对丰度，它只是样本中某个特定微生物的序列读数。这个数值并不等同于微生物的实际数量（绝对丰度），因为它受多种因素影响，如：

1. 测序深度：不同样本可能测序的深度不同，得到的reads数也会有所不同。测序深度深的样本会产生更多的reads。

2. PCR扩增偏好：16S rRNA等扩增测序中，某些微生物的基因片段可能在扩增过程中被优先扩增，导致reads数的增加，甚至放大微生物相对丰度的误差。

3. 基因组大小：对于宏基因组测序，不同微生物的基因组大小不同，基因组较大的微生物可能会生成更多的reads数。

因此，比对得到的reads数通常表示的是相对丰度的一个近似值，即某种微生物在样本中产生了多少个序列读数，它反映的是测序后在微生物群落中某种微生物的“相对存在”情况。

要将reads数转换为绝对丰度，还需要额外的定量步骤。例如，可以通过qPCR或流式细胞术等方法测定样本中的总微生物数量，然后结合reads数计算出每个微生物的实际数量（即绝对丰度）。转换公式为：

这个公式能够将相对测序数据转换为实际的微生物数量，帮助你获得绝对丰度。

总结

绝对丰度和相对丰度是微生物组研究中的两个关键概念。绝对丰度告诉我们样本中微生物的实际数量，而相对丰度告诉我们它们之间的比例。在具体的研究中，选择使用哪种丰度取决于你的研究目标。

在16S rRNA测序和宏基因组测序中，绝对丰度和相对丰度各有应用场景：

16S rRNA测序：主要使用相对丰度进行群落结构分析，如果想获得绝对丰度，需通过qPCR等方法获取总微生物数量。

宏基因组测序：相对丰度能揭示更全面的微生物群落和功能，绝对丰度则需要结合定量手段。

希望本文帮助大家更好地理解这两种测序技术中的丰度问题，并学会如何在自己的研究中合理应用绝对丰度和相对丰度！