环境微生物群落结构与功能多样性研究方法

微生物群落的结构及群落内种间相互作用是影响其生态功能的决定性因素。尽管微生物群落是地球生物化学循环的主要驱动者,但是由于传统的微生物培养方法只能分离约1%10%的环境微生物,对复杂的环境微生物群落结构和功能多样性了解甚少。元基因组学、单细胞分析和群落遗传学等方法的出现,及其与微生物学的交叉融合,使得人们能够从微生物群落组成、物种功能、种间相互作用和预测模型等方面分析微生物群落。重点综述了元基因组学、单细胞分析和群落遗传学等方法及其在环境微生物群落结构和功能多样性中的应用进展。     

中国传统酿造食品微生物生态学及其研究策略

中国传统酿造食品的生产通常是在开放度高、周围环境条件粗放、微生物群落结构时空差异显著批次间变化规律类似的微生态环境中进行的.其过程具有生产原料成分多样、参与的微生物种类多、代谢反应复杂、工艺繁复以及产品组分复杂等特征,从而导致科学阐释其过程代谢机理存在着巨大的挑战.基因组学、转录组学等组学技术以及基于现代检测技术的代谢组学方法的发展和应用,为应用微生态学方法研究其过程的微生物群落结构与功能、群落内部以及与环境的交互作用规律提供了有力的支撑.本文结合本研究团队前期研究工作,综述了近年来传统酿造食品微生物生态学的研究进展,从系统解析酿造微生物群落结构与代谢功能入手,解析微生物群落及个体功能并实现理性调控的传统酿造微生物群落研究策略,包括把握微生物群落三个要素:结构、功能、调控;解析好两个互动:酿造群落内的交互作用,群落与外部环境的交互作用;抓住一个关键:群落中的关键核心功能微生物(群).在上述基础上努力实现传统食品酿造过程中的微生物功能可控、酿造过程可控和产品品质可控的三个目标.     

Biolog方法在环境微生物群落研究中的应用

环境微生物群落研究具有非常重要的理论和应用价值。本文介绍了一种测定微生物代谢的Ｂｉｏｌｏｇ微平板法 ,以及这种新方法在环境微生物群落研究方面的应用成果。1　环境微生物群落研究的意义与手段1 .1　环境微生物群落的研究内容环境微生物是由多个种群 (ｐｏｐｕｌａｔｉｏｎ)组成的微生物群落 (ｃｏｍｍｕｎｉｔｙ) ,不同种群之间存在着共生、互利、共存、竞争等各种复杂的关系 ,在物质循环和能量转化过程中发挥着重要作用。对环境微生物群落的研究可以从微生物的量 ,代谢活性 ,群落结构及代谢功能等几个不同层面上进行。其中 ,微生物…     

CARD-FISH技术及其在微生物生态学研究中的应用

催化报告沉积荧光原位杂交技术(Catalyzed reporter deposition-fluorescence in situ hybridization,CARDFISH)是基于传统的FISH技术发展而来,由于其较高的灵敏度及稳定性,可以检测微生物的rRNA、mRNA和DNA上的目标基因等,获得环境微生物的群落及功能信息,现已成为微生物生态学研究领域中的重要技术手段。近些年,CARD-FISH与同位素示踪技术、纳米二次离子质谱技术(Nano SIMS)、扫描电子显微镜(SEM)、流式细胞仪等技术方法的联合使用,不仅可以研究复杂环境中微生物的物种组成、数量及其高分辨形态学信息,而且可以获得微生物在单细胞水平的生理代谢信息及其活性,对在单细胞水平认识原位环境微生物的生理生态功能具有重要意义。本文重点介绍了CARD-FISH的技术路线和要点,并探讨CARD-FISH与相关技术联用在环境微生物生态学研究中的应用及进展。     

基于宏基因组测序的植物叶表微生物富集及DNA提取方法

获得高质量的微生物基因组DNA是进行复杂微生物群落宏基因组学研究的基础和难点.植物叶表是一个微生物多样性丰富的复杂生态系统,这些微生物群落可以调节叶片功能性状,影响植物的适应性.深入了解叶表微生物群落的基本结构和功能原理,有助于在促进植物生长和植物保护方面发挥重要的应用价值.由于叶表严苛的环境,导致富集叶表微生物难度较...     

环境微生物群落功能研究的新方法和新策略

微生物群落在驱动生物地球化学循环中扮演着重要角色,传统的研究方法可对微生物群落进行遗传结构的解析,但不能有效地与功能研究耦联.概述了近年发展起来的基于核酸和蛋白质水平的分子生物学新方法--环境mRNA 和 rRNA同时荧光原位杂交(FISH)、寡核苷酸微阵列技术(Oligonucleotide Microarray)、 稳定性同位素联合宏基因组学(SIP-enabled Metagenomics)和环境蛋白质组学(Metaproteomics)在环境微生物群落功能研究中的应用,并且对其发展趋势进行了分析和展望.     

农业土壤微生物基因与群落多样性研究进展

介绍了群落基因组多样性、结构多样性与功能多样性相互关系的研究方法 ,重点论述了近年来农业土壤微生物群落遗传、结构与功能多样性的研究进展。同时总结了耕作措施和养分管理对农业土壤微生物群落多样性的影响 ,提出微生物序列分析、比较基因组学和微生物芯片技术与传统研究技术结合将有助于对微生物群落结构与功能和生物与环境因素对土壤微生物群落影响的深刻理解     

微生物分子生态学研究方法的新进展

环境中微生物的群落结构及多样性和微生物的功能及代谢机理是微生物生态学的研究热点,长期以来,由于受到研究技术的限制,对微生物的群落结构和多样性的认识还不全面,微生物的功能及代谢机理方面了解也很少.随着高通量测序、基因芯片等新技术的不断更新,微生物分子生态学的研究方法和研究途径也在不断变化.高通量测序技术改变了微生物多样性、宏基因组学和宏转录组学的研究方法,GeoChip高密度覆盖海量已知功能的基因探针于单张芯片,能快速确定微生物和已知功能基因的存在与否.总结和比较了目前最新的研究手段,并归纳了这些方法的适用性和优缺点.     

用于分析微生物种类组成的微生物生态学研究方法

对环境中微生物群落进行分析对于理解该环境中各类微生物的功能具有重要意义,因此日益受到重视。用于环境中微生物群落分析的方法很多,将简要介绍基于PCR的研究方法,原位杂交技术,基因芯片技术,宏蛋白质组学技术等研究方法的原理、应用及其优缺点。     

分子生物学技术在环境微生物监测中的应用

随着环境生物学的发展,对环境中复杂的混合微生物群落进行及时监测和准确鉴定变得越来越重要。但是传统的研究方法因为检测速度慢、准确性差等缺点,在某种程度上已经不适应于这方面的研究;而以ＰＣＲ（ｐｏｌｙｍｅｒａｓｅ ｃｈａｉｎ ｒｅａｃｔｉｏｎ）技术为主的一些分子生物学技术因具有快速、灵敏的特点,正被越来越多的人所采用。目前,这些分子生物学技术已能在ｒＤＮＡ测序和有关结构基因分析的基础上监测和定量复杂的混合微生物群落中的一些特殊的微生物,而且其中许多技术都是在ＰＣＲ扩增的基础上来检测混合微生物群落中原本…     

Tips and tricks for high quality MAR-FISH preparations: Focus on bacterioplankton analysis

The combination of microautoradiography and fluorescence in situ hybridization (MAR-FISH) is a powerful technique for tracking the incorporation of radiolabelled compounds by specific bacterial populations at a single cell resolution. It has been widely applied in aquatic microbial ecology as a tool to unveil key ecophysiological features, shedding light on relevant ecological issues such as bacterial biomass production, the role of different bacterioplankton groups in the global carbon and sulphur cycle, and, at the same time, providing insights into the life styles and niche differentiation of cosmopolitan members of the aquatic microbial communities. Despite its great potential, its application has remained restricted to a few laboratories around the world, in part due to its reputation as a “difficult technique”. Therefore, the objective of this minireview is to highlight the impact of MAR-FISH application on aquatic microbial ecology, and also to provide basic concepts, as well as practical tips, for processing MAR-FISH preparations, thus aiming to contribute to a more widespread application of this powerful method.     

实时荧光定量PCR及其在微生物生态学中的应用

定量描述微生物群落的组成,在微生物生态学的许多研究领域都是非常重要的。然而由于可培养技术的局限性,定量描述微生物群落成为比较困难的事情。最近包括PCR技术在内的分子生物学技术为人们提供了有力的工具,使对微生物群落的分布、丰度等有了进一步的了解。实时荧光定量PCR技术作为核酸定量检测技术,自从发明以来在微生物生态学研究中逐渐得到了广泛的应用。从微生物生态学角度,综述了实时荧光定量PCR技术的原理、发展、优缺点及其在微生物生态学研究中的应用与研究进展,并探讨了实时荧光定量PCR技术的发展和应用前景。     

液质发酵食品中微生物群落及与乳酸菌间相互作用研究进展

液质发酵食品发酵过程中微生物组成复杂,复杂的微生物发酵体系会影响微生物的生长和代谢,继而改变微生物的群落结构与功能,最终影响液质发酵食品的品质。乳酸菌在食品发酵中对形成风味物质、提高营养价值、抑制腐败菌生长具有重要的作用。本文主要对近年来食醋、酱油和饮料酒等液质发酵食品中微生物群落及与乳酸菌间相互作用关系进行综述,了解液质发酵食品在发酵过程中微生物群落结构和群落中乳酸菌与其他微生物的相互作用类型,探讨乳酸菌在发酵过程中的功能以及乳酸菌与其他微生物之间的相互作用机制。     

FISH技术在微生物生态学中的研究及进展

分子生物学技术在微生物生态学研究中具有灵敏、精确和快速的优势,但不能提供微生物的形态学、数量性状、空间分布等信息。荧光原位杂交技术结合了分子生物学的精确性和显微镜的可视性信息,可以在自然生境中监测和鉴定不同的微生物个体,尤其是对难培养和未被培养的微生物进行检测。荧光原位杂交技术被广泛用于微生物群落结构诊断和评价,现已成为微生物分子生态学研究中的热点技术。对荧光原位杂交技术的发展和在微生物分子生态学中的应用进行了综述,探讨了该技术应用中存在的问题和发展前景。     

现代分子生物学技术在瘤胃微生态系统研究中的应用

瘤胃中栖息着大量的微生物,由于这些微生物组成复杂且有些细菌在体外无法培养,目前对这些微生物的了解仍然很少。现代分子生物学技术的发展为研究瘤胃微生物提供了有效的方法,利用核酸探针、基因序列分析、遗传指纹技术、全细胞杂交和实时定量PCR等技术可以对瘤胃微生物的分类及进化关系、区系结构图、重要酶的表达以及目的微生物的准确定量进行更为深入和透彻的研究。发展和利用这些技术不仅可以研究微生物之间的关系以及微生物与饲料颗粒之间时间与空间的关系,还能直接在细菌自然生长的环境中对其各种特征进行研究。     

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。     

FISH methods in phycology: Phototrophic biofilm and phytoplankton applications

Abstract

Many photosynthetic microorganisms, living attached to immersed substrates or free in the water column, lack distinct morphological details, are small in size and often unculturable. Thus, whole-cell fluorescence in situ hybridization (FISH) with rRNA-targeted oligonucleotide probes has become a valuable and widely used technique to identify bacteria and protists within their natural communities. FISH methods not only allow direct, cultivation independent determination of community composition, but provide spatio-temporal quantification of microorganisms in the environment. Coupling of FISH techniques to Confocal Laser Scanning Microscopy (CLSM) has become essential for the assessment of diversity and structural integrity in three-dimensional complex biofilm samples. Combining FISH with microautoradiography (FISH-MAR) and microsensors also opens new perspectives in microbial ecology by providing new tools for revealing physiological properties of organisms with single-cell resolution. This paper briefly summarizes the application of FISH methods to phototrophic biofilm and phytoplankton research. The potential of DNA microarray technology in phycological research is highlighted, especially for the fast and accurate identification of HAB (Harmful Algal Bloom) species in marine phytoplankton. Some CLSM and FISH data from phototrophic biofilms from an Italian wastewater treatment plant are shown.     

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。     

Metagenomic approaches for defining the pathogenesis of inflammatory bowel diseases

The human gastrointestinal tract is home to immense and complex populations of microorganisms. Using recent technical innovations, the diversity present in this human body habitat is now being analyzed in detail. This review focuses on the microbial ecology of the gut in inflammatory bowel diseases and on how recent studies provide an impetus for using carefully designed, comparative metagenomic approaches to delve into the structure and activities of the gut microbial community and its interrelationship with the immune system.