16S/18S/ITS扩增子高通量测序引物的生物信息学评估和改进

【背景】在过去的十几年里,基于核糖体RNA基因的扩增子测序技术被广泛用于各种生态系统中微生物群落的多样性检测。扩增子测序的使用极大地促进了土壤、水体、空气等环境中微生物生态的相关研究。【目的】随着高通量测序技术的不断发展和参考数据库的不断更新,针对不同的环境样本的引物选择和改进仍然需要更深入的校验。【方法】本文收集了目前在微生物群落研究中被广泛采用的标记基因扩增通用引物,包括16S rRNA基因扩增常用的8对通用引物和2对古菌引物、9对真菌转录间隔区(internal transcribed spacer,ITS)基因扩增引物,以及18S rRNA基因扩增的4对真核微生物通用引物和1对真菌特异性引物。这些引物中包括了地球微生物组计划(Earth Microbiome Project,EMP)推荐的2对16S rRNA基因扩增引物、1对ITS1基因扩增引物和1对18S rRNA基因扩增引物。采用最近更新的标准数据库对这些引物进行了覆盖度和特异性评价。【结果】EMP推荐的引物依然具有较高的覆盖度,而其他引物在覆盖度及对特定环境或类群的特异性上也各有特点。此外,最近有研究对这些通用引物进行了一些改进,而我们也发现,一个碱基的变化都可能会导致评价结果或扩增产物发生明显变化,简并碱基的引入既可以覆盖更多的物种,但同时也会在一定程度上降低关注物种的特异性。【结论】研究结果为微生态研究中标记基因的引物选择提供了一个广泛的指导,但在关注具体科学问题时,引物的选择仍需数据指导与实验尝试。     

农牧交错带草地土壤剖面微生物总量、多样性和互作网络的垂直分布特征

【背景】草地土壤微生物是维持草地生态系统功能和稳定的关键要素之一,探寻微生物在土壤剖面的垂直分布特征和构建规律对于理解其在草地生态系统的作用至关重要。【目的】在80cm深的土壤剖面内,全面分析微生物的总量、多样性和物种间的相互作用网络表现出的垂直分布特征。【方法】基于内蒙古农牧交错带上典型草原土壤中原核微生物的定量和高通量测序数据,比较微生物的总量和多样性,使用分子生态网络方法(molecular ecological network approach,MENA)探究微生物相互作用网络的垂直变化。【结果】原核生物的总量和多样性随深度增加而逐渐降低,且群落结构变异沿土壤剖面逐渐增大。网络结构在表层最为复杂,微生物物种间联系紧密;随着深度的增加,微生物间紧密的关联会逐渐变稀疏,网络结构变得简单。此外,酸杆菌是当地土壤生态系统中的优势种群以及网络核心微生物物种,可能对土壤生态服务功能的稳定发挥具有重要的作用。【结论】原核微生物的总量、多样性和物种间的互作网络都表现出高度一致的垂直变化规律,即总量、多样性与深度成负相关,且其群落结构变异会逐渐扩大,同时微生物网络相关性会减弱。这些结果为我们提供了微生物动态变化的重要见解,对典型农牧交错带草地的生态保护具有一定的参考价值。     

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。     

贪铜杆菌Cupriavidus sp. SHE细胞上清液合成纳米硒

近年来,纳米硒凭借其良好的导电、光热以及抗癌等特性,在纳米技术、生物医学以及环境修复等诸多领域得到广泛应用。实验选择前期筛选得到的贪铜杆菌Cupriavidus sp. SHE,文中探究了该菌株的细胞上清液、全细胞以及胞内提取物合成纳米硒的能力,并对细胞上清液合成的纳米硒进行形貌表征与官能团分析,最后选取革兰氏阳性菌假单胞菌Pseudomonas sp. PI1和革兰氏阴性菌大肠杆菌Escherichia coli BL21进行抗菌实验。结果表明,菌株Cupriavidussp.SHE的细胞上清液、全细胞以及胞内提取物均具有合成纳米硒的能力。对于菌株Cupriavidus sp. SHE细胞上清液而言,在该实验中,研究范围内其合成纳米硒的最佳条件是SeO2浓度为5 mmol/L,pH为7。透射电子显微镜结果表明合成的纳米硒颗粒主要为球形,平均直径为196nm。X射线衍射结果表明合成的纳米硒晶体类型为六方形结构。傅立叶转换红外光谱和聚丙烯酰胺凝胶电泳结果表明纳米硒表面有小分子蛋白结合,可能参与了纳米硒的合成和稳定过程。此外,抗菌实验表明菌株Cupriavidus sp. SHE细胞上清液合成的纳米硒颗粒对菌株E.coli BL21和Pseudomonas sp. PI1均无明显的抗菌活性。综上,该研究表明菌株Cupriavidus sp.SHE在细胞上清液中产生的蛋白类物质在其合成纳米硒的过程中发挥了重要作用,合成的生物纳米硒颗粒无毒且生物相容性良好,未来在生物医学等领域具有较好的应用潜力。     

Burkholderia sp. IDO3中靛蓝合成基因的克隆表达及其合成特性

【目的】克隆和表达靛蓝合成基因,并将其用于靛蓝合成研究。【方法】对菌株Burkholderia sp.IDO3中靛蓝合成基因进行克隆和大肠杆菌异源表达,构建能合成蓝色色素的基因工程菌。利用液相色谱和质谱对产物进行分析,采用单因素法对培养温度、转速、培养基成分等进行优化,并考察优化条件下的靛蓝合成曲线。【结果】构建了一株重组大肠杆菌E.coli IND_AB,该菌株能够在LB培养基生长的过程中合成蓝色色素,产物分析表明该色素为靛蓝;菌株IND_AB在30°C和150 r/min条件下能在LB培养基中合成22.9 mg/L靛蓝,优化培养条件后产量达到25.4 mg/L;优化LB培养基各组分浓度后产量可提高到35.1 mg/L;外加50.0 mg/L吲哚或0.1 g/L色氨酸后靛蓝产量可分别提高到57.7 mg/L和64.4 mg/L,相比初始产量提高了152.0%和181.2%;靛蓝合成曲线表明在添加吲哚或色氨酸的培养基中,菌株IND_AB前6 h没有靛蓝生成,6-15 h为靛蓝合成加速期,18 h达到产量平衡。【结论】重组大肠杆菌IND_AB可用于生物合成高纯度靛蓝,为靛蓝的微生物合成提供了有效的基因资源。