基于宏组学方法认识微生物群落及其功能

进入后基因组学时代,测序技术飞速发展,测序成本明显下降,形成了涵盖宏基因组学、宏转录组学和宏蛋白质组学的宏组学技术,推动了对微生物群落的多样性、结构及潜在基因功能方面的深入研究。最近随着整合的宏组学技术的提出及应用,全面系统分析微生物群落动态变化及其代谢功能已成为可能,这将成为微生物生态学研究的新趋势。本文综述了宏组学在研究海洋湖泊、深海热泉、人体肠道、牛瘤胃生境、森林土壤与堆肥生境等环境中微生物群落的结构和功能方面的最新进展与成功应用案例。     

活性污泥微生物群落宏组学研究进展

活性污泥是全球最常用的废水生物处理人工生态系统,微生物是驱动其污染净化能力的关键。活性污泥微生物群落所有物种与基因(简称"微生物组")的研究先后经历了"显微镜观察和纯菌培养分离"(1915)、"PCR扩增-测序"(1994)和"高通量测序-宏组学分析"(2006)三个重要阶段的发展变迁。相应地,我们对活性污泥微生物组的认知经历了从最早对微型动物(如钟虫和轮虫)及其他微生物的形貌观察和纯种培养鉴定到今天对整个微生物组的全局多样性认识的飞跃。近13年来,基于高通量测序的宏组学方法被广泛应用于揭示活性污泥微生物群落组成结构和功能,我们现在充分意识到活性污泥微生物组蕴藏着大量不可培养新物种和基因多样性,驱动着各类污染物的降解与转化。目前,特异性分子标记基因的扩增子测序技术已经被广泛应用于揭示城市和工业废水处理活性污泥微生物组和典型功能种群(如硝化细菌和聚磷菌)的时空多样性和群落构建机制,进而为未来实现活性污泥微生物组功能的精准调控奠定理论基础。宏基因组学研究在群落、种群和个体基因组水平全面解析了活性污泥微生物组驱动的碳、氮、磷元素循环过程,以及有机微污染物的生物降解和转化机理。将来活性污泥微生物组学研究需要在"标准化的组学分析方法和绝对定量""高通量培养组学""高通量功能基因组学"和"多组学方法的结合及多种方法并用"4个方面取得实现精准生态基因组学所需的技术突破,以最大限度发掘活性污泥微生物组在污水处理与资源回收领域的生态学与工程学价值。     

16S rRNA基因在微生物生态学中的应用

16S rRNA(Small subunit ribosomal RNA)基因是对原核微生物进行系统进化分类研究时最常用的分子标志物(Biomarker),广泛应用于微生物生态学研究中。近些年来随着高通量测序技术及数据分析方法等的不断进步,大量基于16S rRNA基因的研究使得微生物生态学得到了快速发展,然而使用16S rRNA基因作为分子标志物时也存在诸多问题,比如水平基因转移、多拷贝的异质性、基因扩增效率的差异、数据分析方法的选择等,这些问题影响了微生物群落组成和多样性分析时的准确性。对当前使用16S rRNA基因分析微生物群落组成和多样性的进展情况做一总结,重点讨论当前存在的主要问题以及各种分析方法的发展,尤其是与高通量测序技术有关的实验和数据处理问题。     

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。     

宏基因组学在人和动物胃肠道微生物研究中的应用进展

人和动物胃肠道存在大量微生物群落,这些微生物是与宿主长期共同进化的结果,并且同宿主的健康和疾病密切相关,因此胃肠道微生物研究已成为当今的热点研究领域。宏基因组学技术在这一领域的应用,使我们不仅能够对胃肠道微生物群落结构及多样性进行分析,还能进一步深入了解其代谢功能,开发和利用潜在的微生物及其基因资源。文中结合我们的研究工作,综述了宏基因组学在人和动物胃肠道微生物研究中的应用,同时着重介绍宏基因组研究的生物信息学技术。     

环境微生物学的组学技术应用和突破（英文稿）

由于研究环境变化和微生物群落的需要,近年来高通量组学技术得到了迅猛开发和应用.其中,基于测序和芯片技术的宏基因组学是一个关键的、最成熟的组学技术,为大多数的其它组学技术提供了支撑.相比较而言,宏转录组学、宏蛋白质组学和宏代谢组学也取得了少数的有限成功,但已经显示出可喜的潜力.所有的组学技术都有赖于生物信息学,使得后者成为组学技术应用的一个主要的技术瓶颈.这些新的组学技术对环境微生物学领域产生了革命性的影响,极大地丰富了我们对于环境微生物基因资源和功能活性的了解.     

不同煤阶生物成因煤层气微生物群落的功能及多样性研究进展

生物成因煤层气是煤层气形成的主要途径之一,在各种煤阶的煤层气田中均发现有生物成因煤层气。高通量测序技术、宏基因组学等高新技术的应用逐步揭示了生物成因煤层气微生物群落的组成及多样性,为揭示煤层气资源的微生物生成机理提供了理论依据。本文综述了近年来国内外针对不同煤阶条件下微生物群落结构及多样性方面的研究进展,总结了煤层气生物成因过程中主要微生物的功能及产气途径,并探讨了生物成因煤层气领域的研究前景。     

宏组学在发酵食品微生物群落研究中的应用进展

发酵食品是人类饮食的重要组成部分,深入研究其中的微生物群落结构、代谢及其活性,对于充分探索微生物资源、促进发酵食品的质量具有深远意义。目前,随着后基因组学时代的到来,测序技术的迅猛发展及其成本的降低,主要基于宏基因组学、宏转录组学,宏蛋白质组学和代谢组学在内的宏组学技术已经应用于微生物群落的多样性、结构及潜在基因功能等方面,为发酵食品潜在分子机制的研究奠定了基础。总结了在发酵食品中应用的宏组学(宏基因组学、宏转录组学,宏蛋白质组学和代谢组学)技术。随后,对奶酪、发酵酒精饮料、发酵蔬菜、发酵茶、发酵豆制品和食醋环境中微生物群落结构和功能方面的宏组学研究进行了综述,揭示了发酵食品中有益基因和生物活性物质的来源,并简单概述了这些技术的优势及其现阶段所存在的不足,旨为未来发酵食品的科学研究和工业生产提供一定参考。     

微生物分子生态学发展历史及研究现状

微生物群落多样性是微生物生态学和环境学研究的重点之一。分子生物学方法应用于微生物群落结构分析使得对环境样品中占大多数的不可培养微生物的研究成为了可能。由于功能上高度保守,序列上的不同位置具有不同的变异速率,核糖体RNA（rRNA）是目前在微生物分子生态学上最为有用以及应用最广泛的分子标记,通过rRNA序列比对,可以分析不同分类水平的系统发育关系。元基因组学研究方法通过对环境样品中的各种微生物群落的总的基因组进行分析,充分展示了环境微生物代谢途径,极大地扩展了对微生物的认识。快速发展的高通量测序极大地促进了各项微生物生态学技术的发展,带来了新的突破。     

人体肠道微生物多样性和功能研究进展

人体肠道中庞大而复杂的微生物群落对人体自身代谢表型有深远的影响.肠道微生物群落在亚种或菌株水平上表现出极大的多样性.利用微生物分子生态学、元基因组学和代谢组学研究方法,发现肠道微生物与宿主表现出共进化的特点,肠道微生物群落及其基因组为宿主提供了互补的遗传和代谢功能,表现出互惠共生关系.但是,肠道微生物群落中影响宿主代谢表型的关键功能菌鉴定及其作用模式问题仍然悬而未决,综合运用多种高通量研究方法和多维数据分析方法可能成为解决这个问题的突破口.     

微生物生态学理论框架

微生物是生态系统的重要组成部分,直接或间接地参与所有的生态过程。微生物生态学是基于微生物群体的科学,利用微生物群体DNA/RNA等标志物,重点研究微生物群落构建、组成演变、多样性及其与环境的关系,在生态学理论的指导和反复模型拟合下由统计分析得出具有普遍意义的结论。其研究范围从基因尺度到全球尺度。分子生物学技术的发展,使人们可以直接从基因水平上考查其多样性,从而使得对微生物空间分布格局及其成因的深入研究成为可能。进而可以从方法学探讨微生物生物多样性、分布格局、影响机制及其对全球变化的响应等。在微生物生态学研究中,群落构建与演化、分布特征(含植物-微生物相互关系)、执行群体功能的机理(生物地球化学循环等)、对环境变化的响应与反馈机理是今后需要关注的重点领域。概述了微生物生态学的概念,并初步提出其理论框架,在对比宏观生态学基础理论和模型的基础上,分析微生物多样性的研究内容、研究方法和群落构建的理论机制,展望了今后研究的重点领域。     

元基因组文库分析技术研究进展

随着新的分析技术的不断出现和成熟,促进了微生物分子生态学及相关学科的诞生和迅速发展。其中,元基因组文库分析技术即是近年来微生物分子生态学研究领域兴起的一种新的分析技术。就元基因组分析技术诞生的背景及该技术的原理进行了讨论,着重阐述了元基因组文库分析技术在寻找新基因、开发新的生物活性物质、研究群落中微生物多样性、人类元基因组测序等方面的应用。另外,归纳总结了目前国际上常用的诸如PCR为基础的筛选、荧光原位杂交（fluorescent in situ hybridization,FISH）、底物诱导的基因表达筛选（substrate induced gene expression screening,SIGEX）、基因芯片等元基因组文库筛选方法,并就不同方法的优缺点进行了分析和讨论,指出了目前元基因组文库分析技术存在的主要问题并对今后该技术的发展进行了展望。     

Intestinal microbiota in fishes: what's known and what's not

High‐throughput sequencing approaches have enabled characterizations of the community composition of numerous gut microbial communities, which in turn has enhanced interest in their diversity and functional relationships in different groups of vertebrates. Although fishes represent the greatest taxonomic and ecological diversity of vertebrates, our understanding of their gut microbiota and its functional significance has lagged well behind that of terrestrial vertebrates. In order to highlight emerging issues, we provide an overview of research on fish gut microbiotas and the biology of their hosts. We conclude that microbial community composition must be viewed within an informed context of host ecology and physiology, and that this is of particular importance with respect to research planning and sampling design.     

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。     

Distinct taxonomic and functional composition of soil microbiomes along the gradient forest-restinga-mangrove in southeastern Brazil

Soil microorganisms play crucial roles in ecosystem functioning, and the central goal in microbial ecology studies is to elucidate which factors shape community structure. A better understanding of the relationship between microbial diversity, functions and environmental parameters would increase our ability to set conservation priorities. Here, the bacterial and archaeal community structure in Atlantic Forest, restinga and mangrove soils was described and compared based on shotgun metagenomics. We hypothesized that each distinct site would harbor a distinct taxonomic and functional soil community, which is influenced by environmental parameters. Our data showed that the microbiome is shaped by soil properties, with pH, base saturation, boron and iron content significantly correlated to overall community structure. When data of specific phyla were correlated to specific soil properties, we demonstrated that parameters such as boron, copper, sulfur, potassium and aluminum presented significant correlation with the most number of bacterial groups. Mangrove soil was the most distinct site and presented the highest taxonomic and functional diversity in comparison with forest and restinga soils. From the total 34 microbial phyla identified, 14 were overrepresented in mangrove soils, including several archaeal groups. Mangrove soils hosted a high abundance of sequences related to replication, survival and adaptation; forest soils included high numbers of sequences related to the metabolism of nutrients and other composts; while restinga soils included abundant genes related to the metabolism of carbohydrates. Overall, our finds show that the microbial community structure and functional potential were clearly different across the environmental gradient, followed by functional adaptation and both were related to the soil properties.     

活性污泥微生物菌群研究方法进展

活性污泥是活性污泥法处理污水系统的功能主体。人类对活性污泥微生物菌群的认识随着其研究方法的发展而逐步深入。传统培养方法只能检测到活性污泥中1％～15％的微生物。随着一系列基于免培养的分子生物学技术的出现,活性污泥中菌群的复杂性和多样性以惊人的速度被人们认识,大量依靠传统检测方法未能发现却在活性污泥中起关键作用的微生物逐渐被发现。许多模拟活性污泥菌群生存环境条件的现代培养技术开始发展,且已成功培养了一部分传统培养方法不能培养的细菌类群,这为研究基于免培养方法发现的大量新的微生物菌群的生理特性和作用机制提供了可能,也无疑将把人们对活性污泥菌群的认识推向一个新的层次．主要介绍活性污泥微生物菌群研究的一系列方法,从传统培养方法到基于免培养的现代分子生物学技术,再到现代培养技术,着重论述了现代分子生物学技术及其在活性污泥微生物菌群研究中的进展。     

Microbial diversity and function in soil: from genes to ecosystems

Soils sustain an immense diversity of microbes, which, to a large extent, remains unexplored. A range of novel methods, most of which are based on rRNA and rDNA analyses, have uncovered part of the soil microbial diversity. The next step in the era of microbial ecology is to extract genomic, evolutionary and functional information from bacterial artificial chromosome libraries of the soil community genomes (the metagenome). Sophisticated analyses that apply molecular phylogenetics, DNA microarrays, functional genomics and in situ activity measurements will provide huge amounts of new data, potentially increasing our understanding of the structure and function of soil microbial ecosystems, and the interactions that occur within them. This review summarizes the recent progress in studies of soil microbial communities with focus on novel methods and approaches that provide new insight into the relationship between phylogenetic and functional diversity.     

Diversity and assembly patterns of activated sludge microbial communities: A review

Understanding diversity and assembly patterns of microbial communities in activated sludge (AS) is pivotal for addressing fundamental ecological questions and wastewater treatment engineering. Recent applications of molecular methods especially high-throughput sequencing (HTS) have led to the explosion of information about AS community diversity, including the identification of uncultured taxa, and characterization of low-abundance but environmentally important populations such as antibiotic resistant bacteria and pathogens. Those progresses have facilitated the leverage of ecological theories in describing AS community assembly. The lognormal species abundance curve has been applied to estimate AS microbial richness. Taxa-area and taxa-time relationships (TAR and TTR) have been observed for AS microbial communities. Core AS microbial communities have been identified. Meanwhile, the roles of both deterministic and stochastic processes in shaping AS community structures have been examined. Nonetheless, it remains challenging to define tempo-spatial scales for reliable identification of community turnover, and find tight links between AS microbial structure and wastewater treatment plant (WWTP) functions. To solve those issues, we expect that future research will focus on identifying active functional populations in AS using omics- methods integrated with stable-isotope probing (SIP) with the development of bioinformatics tools. Developing mathematic models to understand AS community structures and utilize information on AS community to predict the performance of WWTPs will also be vital for advancing knowledge of AS microbial ecology and environmental engineering.     

非培养方法在土壤微生物生态学研究中的应用

由于有相当数量的土壤微生物是目前不可培养的,因此利用传统培养技术来研究土壤微生物,不仅费时费力,所得到的结果可能和真实的情况相差甚远。近年来发展了三类不需培养的方法来研究土壤微生物的种类和数量,这些方法大体上分为生物化学、生理学和分子生物学三类。生物化学方法主要根据细胞膜磷脂酸(PLFA)的种类和数量来判定微生物的多样性;BIOLOG微量板分析系统是生理学方法的代表,它主要是根据土样细胞悬液对95种单一碳源的利用模式来说明群落结构的变化;分子生物学方法是发展应用最广的方法。基本步骤是提取土壤的总DNA,然后用通用引物或选择性高的引物来扩增16SrRNA基因。由于对扩增产物分析方法的不同,该方法又可分为PCR-DGGE,PCR-RFLP等。最近在PCR-RFLP基础上发展起来的T—RFLP分析方法,将微生物的多样性分析工作同RDP(ribosomal database project)数据库结合,充分利用了Internet的数据资源共享的优势,具有分辨率高,可实现自动化等优点。是未来土壤微生物生态学研究的有力工具。