宏基因组学与动物病原微生物检测

宏基因组学（ metagenome）是直接从土壤、海水、人及动物胃肠道、口腔、呼吸道、皮肤等环境中获取样品DNA,利用载体将其克隆到替代宿主细胞中构建宏基因文库,以高通量检测为主要技术来研究特定环境中全部微生物的基因组及筛选活性物质和基因的新兴学科。利用宏基因组学技术不仅能够有效地检测特定环境的微生物群落结构,扩展了微生物资源的利用空间,发展了新兴的高通量检测技术,丰富了生物信息学内容。基于宏基因组学研究方法在环境微生物研究中的优势,对近年来相关领域、方法及其在人及动物病原微生物研究中的应用进行综述,以期将此方法用于实验动物病原微生物的调查分析及动物疫情、生物安全的监测。     

宏基因组学在微生物活性物质筛选中的应用

采用传统分离培养筛选微生物新活性物质的方法受到很大制约,自然界99%以上的微生物不能培养,其资源开发受到很大限制。环境微生物宏基因组技术应用避开了微生物分离纯培养问题,极大拓展了微生物资源的利用空间,增加获得新活性物质的机会和途径。本文着重介绍宏基因组的概念、研究策略包括DNA提取、文库构建与筛选等及在微生物活性物质筛选中的应用,并对宏基因组研究中存在的问题进行探讨。     

宏基因组与宏基因组学

宏基因组学诞生于上世纪90年代,是指不经过微生物培养阶段,采用直接提取环境中总DNA的方法,对微生物基因总和进行研究的一门新学科.宏基因组技术的出现,使得人们对占微生物总体99%以上不可培养微生物的研究成为现实,微生物基因的可探测空间显著增大.总的来说,目前宏基因组技术的应用主要分为两个方面:一方面是筛选功能基因,开发具有所需功能的蛋白;另一方面是通过对宏基因组文库进行分析,探讨在各种环境下微生物间相互作用和微生物与周围环境间相互影响的规律,以便我们能更加客观、全面地认识微生物世界.在宏基因组技术的应用范围被不断扩展的同时,围绕着宏基因组文库的构建和筛选、测序和分析等方面的研究已成为宏基因组学发展的主要推动力,宏基因组技术的进步将不断提升其应用价值.     

宏基因组学挖掘新型生物催化剂的研究进展

微生物蕴藏着大量具有工业应用潜力的生物催化剂。然而,传统培养方法只能从环境中获得不到1%的微生物。宏基因组学是通过提取某一特定环境中的所有微生物基因组DNA、构建基因组文库并对文库进行筛选,寻找和发现新的功能基因的一种方法。它绕过了微生物分离培养过程,成为研究环境样品中不可培养微生物的有力手段。因此,从宏基因组中挖掘新型生物催化剂一直倍受生物学家的关注。以下主要对宏基因组文库的样品来源、DNA提取方法、文库的构建和筛选策略的选择这4个方面的研究状况进行了综述,列举了近年来利用宏基因组技术所获得的新型生物催化剂,并对其今后的研究方向提出了展望。     

宏基因组学技术在酶开发方面的应用

宏基因组技术是近些年发展起来的生物新技术。其针对环境样本中的全部微生物基因组DNA开展研究,可以覆盖过去无法研究的不可培养微生物,极大地拓宽了研究的广度,因而,一经提出就得到广泛应用,并取得丰富成果。本文主要针对宏基因组技术在酶开发方面的有关应用进行综述。     

宏基因组学:土壤微生物研究的新策略

土壤中多数微生物不可培养,这限制了微生物资源的开发利用。宏基因组学方法在开发和利用不可培养微生物资源方面有巨大潜力,可以将其运用到土壤微生物学研究中。对土壤宏基因组DNA的提取、宏基因组文库的构建和筛选等方面的研究现状和进展进行了简要综述。     

基于高通量测序的宏基因组学技术在动物胃肠道微生物方面的研究进展

微生物在自然界普遍存在,且具有降解植物细胞壁的特殊功能。动物胃肠道寄生的微生物与宿主生长发育和机体代谢密切相关,可以帮助动物将植物源性物质转化为机体所需要的营养物质。基于高通量测序的宏基因组学技术和分析方法的改进,使人们对复杂环境中微生物的研究更加方便、透彻。而宏基因组学技术应用于动物胃肠道微生物的研究,则有助于挖掘胃肠道微生物基因库并筛选其中的功能基因。这不仅对动物生长发育调控、疾病预防等基础研究具有重要意义,而且在工业生产及食品安全等领域也发挥着重要作用。就基于高通量测序技术的宏基因组技术在动物胃肠道微生物分类、功能应用等方面的研究进行了梳理和综述,旨在为动物科学生产及微生物发酵等相关领域的研究工作提供科学指导。     

宏基因组学的研究方法进展及应用概述

宏基因组学是以某一特定环境样品中的微生物群体基因组为研究对象,通过提取DNA、构建文库、文库筛选等基本流程来研究微生物多样性、进化关系以及寻找新基因等为研究目的的新的微生物学研究方法,其总体流程包括环境样品总DNA提取、宏基因组文库构建、宏基因组文库筛选三个阶段。宏基因组学做为一个崭新的技术在微生物生态学、生物酶制剂开发以及医学等方面都取得了可喜的成绩。本文将就宏基因组学的概念、技术流程和应用三个方面作简单介绍。     

宏基因组技术在开发未培养环境微生物基因资源中的应用

环境微生物宏基因组是一个巨大的基因资源库,但是仅有0.1%～1%的微生物在现有技术条件下是可培养的,因此致使未培养微生物基因资源的开发利用受到限制.宏基因组技术直接提取环境样品总DNA,避开了微生物分离培养的问题,极大扩展了微生物资源的利用空间,增加了获得新生物活性物质的机会.简要介绍了宏基因组的概念及宏基因组克隆技术的基本操作流程和技术要点,重点阐述了目的基因富集、核酸提取、载体和宿主系统选择、宏基因组文库筛选等"瓶颈"技术的研究进展.目的基因富集技术主要包括稳定同位素探针(SIP)、抑制消减杂交(SSH)和差异显示(DD)等.基因文库筛选分为序列依赖性筛选和非序列依赖性筛选,其中序列依赖性筛选包括特定基因PCR、反转录PCR (RT-PCR)、DNA微阵、亲和捕获等技术;非序列依赖性筛选主要指基于基因表达活性筛选和基因"陷阱"技术等.此外,介绍了一些近年来通过构建宏基因组文库筛选目的基因的应用实例.     

环境DNA技术在地下生态学中的应用

地下生态过程是生态系统结构、功能和过程研究中最不确定的因素。由于技术和方法的限制,作为"黑箱"的地下生态系统已经成为限制生态学发展的瓶颈,也是未来生态学发展的主要方向。环境DNA技术,是指从土壤等环境样品中直接提取DNA片段,然后通过DNA测序技术来定性或定量化目标生物,以确定目标生物在生态系统中的分布及功能特征。环境DNA技术已成功用于地下生态过程的研究。目前,环境DNA技术在土壤微生物多样性及其功能方面的研究相对成熟,克服了土壤微生物研究中不能培养的问题,可以有效地分析土壤微生物的群落组成、多样性及空间分布,尤其是宏基因组学技术的发展,使得微生物生态功能方面的研究成为可能;而且,环境DNA技术已经在土壤动物生态学的研究中得到了初步应用,可快速分析土壤动物的多样性及其分布特征,更有效地鉴定出未知的或稀少的物种,鉴定土壤动物类群的幅度较宽;部分研究者通过提取分析土壤中DNA片段信息对生态系统植物多样性及植物分类进行了研究,其结果比传统的植物分类及物种多样性测定更精确,改变了以往对植物群落物种多样性模式的理解。同时,环境DNA技术克服传统根系研究方法中需要洗根、分根、只能测定单物种根系的局限,降低根系研究中细根区分的误差,并探索性地用于细根生物量的研究。主要综述了基于环境DNA技术的分子生物学方法在土壤微生物多样性及功能、土壤动物多样性、地下植物多样性及根系生态等地下生态过程研究中的应用进展。环境DNA技术对于以土壤微生物、土壤动物及地下植物根系为主体的地下生态学过程的研究具有革命性意义,并展现出良好的应用前景。可以预期,分子生物学技术与传统的生态学研究相结合将成为未来地下生态学研究的一个发展趋势。     

分子生态学技术及其在环境微生物研究中的应用

分子生态学作为一门新兴的学科已经成为国内外科学家关注和研究的热点。目前的分子生态学技术主要有核酸杂交分析技术、特异性PCR扩增技术、DNA序列分析、基因芯片技术等。这些技术在环境微生物研究中的应用主要包括对微生物多样性的研究、种群结构和动力学的研究、代谢活性的研究以及在全球气候变化中对微生物影响的研究。最后,对环境微生物的分子生态学研究进行了展望。     

Diversity of the human gastrointestinal tract microbiota revisited

Since the early days of microbiology, more than a century ago, representatives of over 400 different microbial species have been isolated and fully characterized from human gastrointestinal samples. However, during the past decade molecular ecological studies based on ribosomal RNA (rRNA) sequences have revealed that cultivation has been able only to access a small fraction of the microbial diversity within the gastrointestinal tract. The increasing number of deposited rRNA sequences calls for the setting up a curated database that allows handling of the excessive degree of redundancy that threatens the usability of public databases. The integration of data from cultivation-based studies and molecular inventories of small subunit (SSU) rRNA diversity, presented here for the first time, provides a systematic framework of the microbial diversity in the human gastrointestinal tract of more than 1000 different species-level phylogenetic types (phylotypes). Such knowledge is essential for the design of high-throughput approaches such as phylogenetic DNA microarrays for the comprehensive analysis of gastrointestinal tract microbiota at multiple levels of taxonomic resolution. Development of such approaches is likely to be pivotal to generating novel insights in microbiota functionality in health and disease.     

Applications of the rep-PCR DNA fingerprinting technique to study microbial diversity, ecology and evolution

A large number of repetitive DNA sequences are found in multiple sites in the genomes of numerous bacteria, archaea and eukarya. While the functions of many of these repetitive sequence elements are unknown, they have proven to be useful as the basis of several powerful tools for use in molecular diagnostics, medical microbiology, epidemiological analyses and environmental microbiology. The repetitive sequence-based PCR or rep-PCR DNA fingerprint technique uses primers targeting several of these repetitive elements and PCR to generate unique DNA profiles or 'fingerprints' of individual microbial strains. Although this technique has been extensively used to examine diversity among variety of prokaryotic microorganisms, rep-PCR DNA fingerprinting can also be applied to microbial ecology and microbial evolution studies since it has the power to distinguish microbes at the strain or isolate level. Recent advancement in rep-PCR methodology has resulted in increased accuracy, reproducibility and throughput. In this minireview, we summarize recent improvements in rep-PCR DNA fingerprinting methodology, and discuss its applications to address fundamentally important questions in microbial ecology and evolution.     

基因工程微生物生态学研究进展

基因工程微生物(genctically enginccred microorganism,GEM)生态学的研究已成为微生物分子生态学的一项主要研究内容之一．随着分子标记和分子生物学检测手段的引入,传统的微生物生态学研究被注入了新的活力,在分子水平上探讨基因工程微生物与环境及环境中土著生物之间的关系已成为可能．基因工程微生物生态学是一门内容涉及分子生物学、微生物学、生态学等诸多学科的新型交叉边缘学科．本文提出加紧进行转基因生物生态学和转基因生物的风险评价的研究工作,建立适合中国国情的检测手段和评价标准,有助于我国基因工程微生物生态学的健康发展．     

分子生物学技术在胃肠道微生态中应用研究进展

哺乳动物胃肠道中栖息着大量的微生物(主要为细菌),它们在营养、生理、免疫等方面对宿主起着有益作用。传统上,胃肠道菌群研究主要依靠培养技术。近来,一些基于16S rRNA(DNA)的分子生物学技术已被广泛应用于胃肠道菌群的研究,这些技术主要有16S rDNA克隆基因文库、16S rDNA指纹技术、定量PCR技术、荧光原位杂交技术及基因芯片技术等。对这些用于胃肠道微生态研究的分子生物学技术作一综述。     

分子标记及其在鸟类分子生态学研究中的应用

分子生态学是一门相当新的分支学科,从前人的研究工作来看,分子标记在这个学科中应用非常广泛,本文描述了RFLP、RAPD、MinisatelliteDNA,MicrosatelliteDNA和AFLP这5个分子标记的优缺点及其在鸟类分子生态学中的应用和研究概况。     

When Pasteurian Science Went to Sea: The Birth of Marine Microbiology

In the late nineteenth century, French naturalists were global leaders in microbial research. Louis Pasteur advanced sterilization techniques and demonstrated that dust particles in the air could contaminate a putrefiable liquid. Pasteur’s discoveries prompted a new research program for the naturalists of the Talisman and Travailleur expeditions: to recover uncontaminated water and mud samples from the deep sea. French naturalists Adrien Certes and Paul Regnard both independently conducted experiments to address the question of whether microorganisms inhabited the oceans and whether organic material in the deep sea was subject to decomposition. The experiments of Certes and Regnard have largely been omitted from histories of microbiology and marine science. However, an examination of their work is crucial for understanding the context in which marine microbiology first developed. At the end of the nineteenth century, marine microbiology emerged from the disciplinary melding of terrestrial microbial ecology, experimental physiology, and the then-nascent field of deep-sea biology.     

The zebrafish as a model for gastrointestinal tract–microbe interactions

The zebrafish (Danio rerio) has become a widely used vertebrate model for bacterial, fungal, viral, and protozoan infections. Due to its genetic tractability, large clutch sizes, ease of manipulation, and optical transparency during early life stages, it is a particularly useful model to address questions about the cellular microbiology of host–microbe interactions. Although its use as a model for systemic infections, as well as infections localised to the hindbrain and swimbladder having been thoroughly reviewed, studies focusing on host–microbe interactions in the zebrafish gastrointestinal tract have been neglected. Here, we summarise recent findings regarding the developmental and immune biology of the gastrointestinal tract, drawing parallels to mammalian systems. We discuss the use of adult and larval zebrafish as models for gastrointestinal infections, and more generally, for studies of host–microbe interactions in the gut.     

Foodborne Salmonella ecology in the avian gastrointestinal tract

Foodborne Salmonella continues to be a major cause of salmonellosis with Salmonella Enteritidis and S. Typhimurium considered to be responsible for most of the infections. Investigation of outbreaks and sporadic cases has indicated that food vehicles such as poultry and poultry by-products including raw and uncooked eggs are among the most common sources of Salmonella infections. The dissemination and infection of the avian intestinal tract remain somewhat unclear. In vitro incubation of Salmonella with mammalian tissue culture cells has shown that invasion into epithelial cells is complex and involves several genetic loci and host factors. Several genes are required for the intestinal phase of Salmonella invasion and are located on Salmonella pathogenicity island 1 (SPI 1). Salmonella pathogenesis in the gastrointestinal (GI) tract and the effects of environmental stimuli on gene expression influence bacterial colonization and invasion. Furthermore, significant parameters of Salmonella including growth physiology, nutrient availability, pH, and energy status are considered contributing factors in the GI tract ecology. Approaches for limiting Salmonella colonization have been primarily based on the microbial ecology of the intestinal tract. In vitro studies have shown that the toxic effects of short chain fatty acids (SCFA) to some Enterobacteriaceae, including Salmonella, have resulted in a reduction in population. In addition, it has been established that native intestinal microorganisms such as Lactobacilli provide protective mechanisms against Salmonella in the ceca. A clear understanding of the key factors involved in Salmonella colonization in the avian GI tract has the potential to lead to better approach for more effective control of this foodborne pathogen.     

用于分子生态学研究的土壤微生物DNA提取方法

利用SDS高盐法和变性剂加SDS高盐法对土壤微生物总DNA进行了提取,然后通过电泳加树脂柱回收和连续2次树脂柱回收方法进行了纯化.结果表明,变性剂加SDS高盐法的DNA提取效率明显高于前者,电泳加树脂柱法的纯化效果更好.通过PCR扩增表明,经过纯化后的DNA,都可以进行16SrDNA扩增和nirK、nosZ、nifH等功能基因的扩增.因此,变性剂加SDS高盐法是一种更为高效、可靠且适合于环境微生物分子生态学研究的DNA提取方法.