单细胞分选技术在微生物分离与培养中的应用与展望

自然界相当多的微生物是未培养的,对这些"微生物界暗物质"进行研究,对于研究微生物的进化过程,充分利用微生物资源具有重要意义。对未培养微生物的分离与培养已成为当前国际研究热点,本文对显微操作、荧光活化分选、微流控分选、光镊技术、激光诱导向前转移等可用于微生物分离与培养的技术原理、发展历程进行简单介绍,对比分析了每种分选技术的优点与不足,重点阐述了激光诱导向前转移技术应用于微生物分离的技术优势,并进一步对未来应用于未培养微生物的研究进行了初步展望。     

微生物单细胞基因组技术及其在环境微生物研究中的应用

单细胞及单细胞基因组学研究是近年生命科学研究的热点之一,微生物单细胞基因组学研究是继微生物元基因组学(又称宏基因组学,Metagenomics)之后新发展起来的,可有效获取环境中大量无法培养的微生物遗传信息的技术。微生物单细胞基因组技术包括单细胞获取、全基因组扩增、全基因组测序以及数据分析等步骤,目前该技术在环境微生物研究中的应用主要集中于探索未被元基因组技术或其它常规技术探测到的新型功能基因,或是对环境中物种丰度极小的未培养微生物的发现,以及对微生物细胞生命进化过程的研究等。本文对微生物单细胞基因组技术中单细胞获取和全基因组扩增所涉及到的不同方法以及应用此技术对环境微生物取得的主要研究进展进行综述。     

未培养微生物研究策略概述

基于未培养微生物数量巨大、种类繁多、基因资源丰富等特点。扼要介绍了未培养微生物的纯培养分离策略和分子生物学研究方法。随着新型培养策略如原位仿生境培养、限制性培养、单细胞微操作等的出现,使未培养微生物的纯培养成为可能。同时由于宏基因组学和高通量DNA测序等现代分子生物学方法技术的逐渐成熟,使来源于未培养微生物的新基因和新活性物质的分离筛选出现了新的机遇与挑战。     

未/难培养微生物可培养策略研究：机遇与挑战

微生物分布广泛、种类众多、功能多样,虽体积微小但功能强大,关乎人类的安全健康和生态的稳定发展,在整个地球生命系统中起着举足轻重的作用。17世纪以来,研究者们一直努力获得、了解和利用这些微生物,然而目前分离方法的局限性使得环境中绝大部分微生物仍不能被纯培养,严重阻碍了我们对微生物生命活动规律的认知。因此,如何分离获得这些仍未被培养出来的“暗物质”是微生物研究面临的严峻挑战和重大机遇。本文分析了环境中制约微生物分离培养的因素,综述未/难培养微生物可培养研究的最新进展,着重论述优化的传统培养方法及网络导向培养、膜扩散培养、微流控分选培养和细胞分选培养等新型技术的应用,并对未来研究进行展望,探索多技术联合使用策略,为未/难微生物资源的挖掘及开发利用提供借鉴。     

基于流式细胞仪高通量分选的深海微生物单细胞培养

【目的】建立适用于海洋微生物的流式细胞分选与高通量单细胞培养的方法,通过该方法从印度洋深海样品中分离微生物纯培养菌株。【方法】利用流式细胞仪单细胞分选功能,以前向角(FSC)和侧向角(SSC)散射光信号代替荧光信号作为分选逻辑,对深海水体和沉积物样品中微生物进行单细胞高通量分选和培养。【结果】确定了流式细胞分选的区域和条件,发现所建立方法适于分离海洋水体微生物,而不是沉积物微生物。从印度洋深海水体样品中获得61个潜在新菌株,分属于6个新属种,占分离菌株总数的26.29%,其16S rRNA基因序列与已培养的模式菌株相似性为89.79%–95.37%。【结论】本研究所建立的方法有助于提高发现海洋微生物新物种的效率,获得更多新的海洋微生物资源。     

口腔未培养微生物分离培养策略的研究进展

口腔微生物是人体微生物组的重要组成部分,其群落组成丰富且独特。现有研究显示,口腔微生物与龋病、牙周炎等口腔健康问题有直接的联系,因而具有重要的研究价值。随着高通量测序技术的发展,人们对口腔中未培养微生物多样性的认识不断加深,这进一步催生对微生物分离培养技术需求的增加。为此,本文将围绕口腔未培养微生物及其分离培养策略的研究进展,首先介绍口腔中未培养微生物的研究现状;其次分析口腔微生物分离培养中可能的限制因素;最后综述微生物分离培养技术发展及其在口腔未培养微生物研究中的应用。全文旨在为口腔未培养微生物的分离培养提供思路和技术参考。     

单细胞拉曼光谱在微生物研究中的应用

拉曼显微光谱是一种能够提供0.5–1.0μm空间分辨率的单个微生物细胞内化学结构信息的研究技术。近几年来,拉曼显微光谱被越来越多地应用于微生物单细胞的研究中,它可以快速无损地检测微生物细胞内的特征化学组分。典型的单个微生物细胞的拉曼光谱包含核酸、蛋白质、碳水化合物、脂质和色素(例如类胡萝卜素)等信息,这些信息能够表征微生物细胞的基因型、表型和生理状态。所以单细胞拉曼显微光谱是一种可用于区分微生物样品的"全生物指纹"技术,它可用于研究单个微生物细胞生命阶段的转变、鉴定微生物单细胞中的色素及其他化合物的含量变化等。本文综述了目前拉曼显微光谱在微生物单细胞研究上的应用,主要包括与稳定同位素标记(stable isotope probing,SIP)、拉曼成像、光谱分类和细胞分选技术结合来探究微生物单细胞对物质吸收后特征峰的变化、推导物质循环过程、进行微生物分类鉴定和探索基因型与表型的关系。拉曼显微光谱作为微生物单细胞研究的手段之一,在代谢过程的研究、活细胞分选和细胞对物质的利用上具有广泛的应用前景。     

海洋动物来源微生物分离培养的新方法

海洋动物体内有着丰富的微生物,它们可以帮助动物宿主合成一些营养物质或者抵御其他动物侵害所需的化合物。在海洋动物来源微生物的生物活性化合物中,目前已有功能较好且应用于临床治疗的化合物。由于实验室分离培养条件的限制,目前仅有小部分的微生物被分离利用。因此开展新颖而有效的海洋动物来源微生物分离培养方法的研究十分必要。本文概括了近些年从海洋动物中分离微生物的新方法的结果和不足,这些方法包括原位培养技术、电回收法和培养基的改良等,重点介绍了扩散盒技术、I-tip技术和微囊包埋技术等。这些新方法的应用有助于获得更多新的微生物菌种和微生物次生代谢产物,了解微生物与动物宿主之间的关系,以及扩大海洋微生物资源的开发和利用。     

基于功能基因的微生物碳循环分子生态学研究进展

碳循环是生态系统中重要的生物地球化学元素循环之一。微生物参与碳固定、甲烷代谢、碳降解等多个重要的碳循环过程,深入了解微生物群落在碳循环过程中的功能和作用,有助于获悉微生物对全球气候变化的响应、适应和反馈机制,这也是微生物生态学研究的关键问题之一。传统的研究多集中于微生物分离培养技术,无法覆盖绝大部分未培养微生物,并且无法深入解析碳循环过程中微生物群落的结构和功能,宏基因组学技术的出现克服了这些缺陷,成为研究微生物群落结构和功能的有效手段。本文对目前宏基因组学的主要技术——定量PCR、DNA分子指纹图谱、基因芯片、克隆文库和高通量测序等技术进行了简要介绍,着重介绍了参与碳固定、甲烷生成和氧化、碳降解等主要碳循环过程的关键功能基因的研究现状,最后对碳循环过程中微生物宏基因组学研究的未来发展进行了总结与展望。     

昆虫肠道微生物分离培养策略及研究进展

昆虫肠道作为一种特殊生境,生存着多种多样的共生微生物,并且肠道内的很多微生物与自然界其他生境的微生物种类显著不同。基于对纯培养微生物的研究,科学家们发现,肠道微生物与昆虫营养、生长发育及免疫等功能密切相关。因此,分离培养是发现微生物新种类、新基因和新功能的基础。然而,自然界可培养的微生物大约只占总数的1%。为了能够对更多的微生物进行分离和培养,近二十年来,微生物学家们发展了诸多新的培养技术和策略并利用它们从昆虫肠道分离出了很多新的难培养微生物。这些新的微生物种类极大地丰富了我们对肠道共生微生物生理作用与功能的认识。以此为基础,本文综述了昆虫肠道微生物分离培养的策略及研究进展,并对未来该领域的发展进行了展望。     

海洋微生物高通量培养方法和分选技术的研究进展

海洋环境中蕴含着丰富的微生物资源,其在生态系统中发挥着重要作用,与人类生活息息相关。但是迄今通过传统的培养方法可被培养分离的海洋微生物不到1%。本文论述了海洋微生物的重要性,大多数海洋微生物不可被培养的原因,以及高通量培养方法和分选技术的研究进展。随着研究的深入,将会有更加实用有效的高通量培养方法和分选技术出现。     

肠道微生物培养的研究进展及应用

肠道中栖居着组成复杂、功能多样的微生物群,这些微生物群在宿主免疫、营养吸收、代谢调节等方面发挥着重要作用。随着测序技术的快速发展,肠道微生物研究通过16S rRNA基因测序和宏基因组测序产生了大量的数据,其中许多未组装的序列成为微生物“暗物质”。近年来,不少研究利用多种不同微生物分离培养方法,结合高通量鉴定技术,从人、小鼠、猪肠道中分离了大量的微生物,丰富了菌株资源,为解析微生物“暗物质”以及后续肠道微生物功能和应用研究提供了基础和保障。尽管微生物的可培养性受到多种因素的影响,大部分微生物尚处于“未培养”的状态,但无论是病因研究还是生理和遗传特征的解析都离不开微生物实体资源的获取。肠道微生物的分离培养对微生物研究从关联分析向菌群功能验证、因果机制解析和功能菌株开发的深入研究具有重要意义。本文旨在探讨和综述影响微生物可培养性的因素,总结回顾肠道微生物的培养方法并阐述肠道微生物培养研究的进展,以期为肠道微生物培养研究提供新的视角。     

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。     

元基因组学方法在环境微生物中的研究进展

新一代测序技术的快速发展,使得元基因组学研究方法成为了理解环境微生物群落结构和相互作用的重要手段之一。元基因组学方法不需要将环境样本中的微生物单独分离培养,而是作为整体进行研究,因而可以回避传统研究时分离培养微生物的困难。基于这一优势,人体、海洋和土壤等环境有关的各项环境微生物测序计划相继启动,并取得了一系列重要的研究进展。探讨了元基因组测序数据分析中所经常采用的方法,以及有关流程的优势和局限性,并进一步讨论了这些方法在各种环境微生物研究中的应用和成果。     

昆虫肠道的宏基因组学:微生物大数据的新疆界

微生物作为自然界中普遍存在的生命体,通常以"微生物群落"的形式共存。这些物种相互协作适应环境变化的同时,也对环境产生了长期而深刻的影响。随着人类对于微生物了解的深入,微生物群落基础研究及其在健康和环境等领域的应用研究日益重要。昆虫肠道内存在种类繁多、数量庞大的微生物,一方面,这些肠道微生物种群结构的多样性与昆虫种类、龄期、消化道形式、食物的来源、环境等都息息相关。另一方面,这些菌群也对宿主的一些生理活动有着一定的影响。随着高通量测序技术、组学技术的发展,昆虫肠道宏基因组大数据挖掘和应用已经成为研究热点,极大地推动人类微生物资源利用的能力。本文概述了昆虫肠道微生物宏基因组学的发展现状和发展趋势,特别是肠道宏基因组学大数据的挖掘工具和应用,以及现阶段昆虫肠道宏基因组学的研究进展、应用、优势和瓶颈,并对今后昆虫肠道微生物组大数据研究方向进行展望。     

环境微生物不依赖于培养的基因组学研究及应用

微生物在生物圈中分布广泛,并且在地球物质循环中占有重要地位,但是约99﹪的微生物目前还不能通过传统的培养方法得到纯培养物（即未培养微生物）,给这些未培养微生物的研究带来很大的困难。随着分子生物学的快速发展及其在微生物研究中的广泛运用,促进了以环境中未培养微生物为研究对象的新兴学科--环境基因组学的产生和发展。在不进行相关微生物培养分离的情况下,通过从环境样品中直接提取获得所有微小生物的全部遗传物质,并构建环境基因组文库;进一步利用功能基因组学研究策略,从文库中寻找编码产生新的有生物活性产物的基因;通过对系统发育相关锚定位点基因序列分析,从而确定特定生态环境体系中未培养微生物的种类结构组成及进化地位,并最终重建该体系中微生物群体的基本物质循环模式。此外,环境基因组学也可以在对未培养微生物生理生化特性深入了解的基础上,建立发展合适的培养体系,最终获得某些特定微生物的纯培养物。本文对环境基因组的构建及相关分析研究策略的进展进行了综述;同时介绍了其在微生物分类及生态学研究的应用。     

动物胃肠道微生物元基因组学研究进展

动物胃肠道中寄居着庞大复杂的微生物,它们对宿主营养、健康和生产有着重要的作用.随着分子生物学的发展,未培养微生物的研究越来越被重视,宏基因组学方法研究胃肠道微生物不仅能了解未培养微生物多样性,还能获得微生物的遗传、代谢和生理等方面的信息.探讨了元基因组文库的构建和分析方法,并重点介绍了元基因组学在动物胃肠道尤其是反刍动物瘤胃微生物研究中的应用.     

土壤微生物群落多样性解析法:从培养到非培养

土壤微生物群落多样性是土壤微生物生态学和环境科学的重点研究内容之一.传统的土壤微生物群落多样性解析技术是指纯培养分离法(平板分离和形态分析法以及群落水平生理学指纹法).后来,研究者们建立了多样性评价较为客观的生物标记法(磷脂脂肪酸法和呼吸醌指纹法).随着土壤基因组提取技术和基因片段扩增(PCR)技术的发展,大量的现代分子生物学技术不断地涌现并极大地推动了土壤微生物群落多样性的研究进程.这些技术主要包括:G+C％含量、DNA复性动力学、核酸杂交法(FISH和DNA芯片技术)、土壤宏基因组学以及DNA指纹图谱技术等.综述了这些技术的基本原理、比较了各种技术的优缺点并且介绍了他们在土壤微生物群落多样性研究中的应用,展望了这些技术的发展方向.     

海洋微生物多样性研究技术进展

海洋微生物资源丰富,开发潜力巨大,综述了稀释培养、高通量培养、扩散盒培养和微囊包埋等新的海洋微生物可培养技术的发展,重点阐述了基于现代分子技术的PCR、DGGE/TGGE、gyrB基因、基因芯片、环境基因组学和质谱等方法在未培养海洋微生物多样性研究中的应用。通过上述研究技术和方法的创新,人类开发海洋微生物资源进入一个崭新的时代。     

未培养环境微生物培养方法的研究进展

自然界中微生物种类繁多、功能多样、分布广泛,对人类健康安全、生态稳定和物种进化等发挥不可替代的作用。尽管微生物培养技术至今已有一百多年,然而由于各种限制因素的制约,目前成功分离培养的微生物仅占0.1%-1.0%,自然界中仍有十分丰富的微生物资源有待挖掘和开发利用。如何理解难培养微生物的制约因素并探索作用机制,同时借此开发新型微生物培养方法则尤为必要。本文首先分析了典型环境微生物生长的限制因素,然后介绍了目前利用传统培养改进措施进行分离筛选的研究成果,进一步综述了原位培养、共培养、微流控培养技术、细胞分选技术等新型培养技术在难培养微生物分离培养中的应用,最后对目前培养法存在的瓶颈问题进行深入分析,提出今后可在多技术联合使用、难培养微生物复苏机制、微生物互作机制、代谢途径与调控机制等方面进行研究,以期为今后微生物资源开发利用提供借鉴。