瘤胃微生物多样性及功能性研究方法概述

庞大的瘤胃微生物群系之间存在着共生关系,影响着宿主的代谢,是反刍动物营养学的研究热点之一.通过基于16S rRNA的分子生物学方法,如探针法、实时定量PCR法、DGGE/TGGE,RAPD和RFLP技术等研究瘤胃微生物多样性及组成结构,应用宏基因组学如建立YAC文库、BAC文库等研究方法对瘤胃微生物功能特征进行更深入的研究,实现改善反刍动物乳、肉产品品质的目的.     

微生物多样性的研究方法概况

介绍了进行微生物多样性研究多种方法,将其简要划分为三大部分：1．经典纯培养技术的改进方法;2．现代分子生物学技术;3．上述两种方法的联合使用;并重点阐述了这些方法的优缺点,展望了微生物多样性研究方法的发展前景。     

BOX-PCR技术在微生物多样性研究中的应用

近年来在微生物多样性研究中,利用微生物基因组中广泛分布的短重复序列设计引物,选择性地扩增重复序列之间的不同基因区域,以得到大小不等的DNA扩增片段的方法日渐增多.以BOX插入因子(细菌基因组重复序列)为基础的PCR技术,具有操作简单快捷,可重复性强,容易获得较为丰富的扩增条带等特点,最初主要应用于细菌的多样性研究.目前研究发现用BoxA1R引物对微生物中的真菌、放线菌进行选择性的扩增,也能够达到很好的遗传及多样性分析的目的.本文综述了BOX-PCR指纹图谱分析技术的特点和一般步骤;结合作者对植物内生细菌的BOX-PCR指纹图谱分析体系的优化,对BOX-PCR技术的改进进行了总结:并对该技术在微生物菌株多样性研究领域的应用现状和前景进行了阐述.     

青藏高原微生物多样性研究

正青藏高原被誉为世界屋脊,其内部除平原外还有许多山峰、冰川、高山湖泊和高山沼泽,是生态环境最为奇特、生物资源最为丰富的自然资源宝库之一。同时,青藏高原的微生物群落结构及其多样性与其他区域存在巨大差异,因而具有极高的科学研究价值,并逐渐被人们所关注。研究发现气候变化对青藏高原高寒草地生态系统草丛-地境界面微生物会产生重要的影响[1]。冰川雪藻的研究主要在南部的Yala冰川开展,     

分子生物学方法在微生物多样性研究中的应用

微生物多样性是生物多样性的重要组成部分。由于微生物和大生物（动、植物）相比,存在着多种显著差异,因此其多样性,保护及利用也有所不同,尤其是研究方法亟待完善,提高。近年来,分子生物学方法广泛用于微生物多样性的研究并取得了一系列研究成果。本文从四个方面加以介绍：１）微生物总ＤＮＡ制备及其遗传多样性检测方法;２）１６ＳｒＲＮＡ基因序列研究;３）核酸杂交分析技术;４）ＤＮＡ动力学的研究。今后的发展趋势是加     

不同种植年限猕猴桃园土壤微生物功能多样性研究

陕西秦岭北麓是世界上最大的猕猴桃生产基地,长期相对单一的果树种植方式导致不同种植年限果园土壤微生态环境差异。研究猕猴桃园土壤微生物功能多样性随种植年限的变化特征,为果园土壤科学管理提供参考。采集不同种植年限猕猴桃根际土壤,应用平板菌落计数法和Biolog-Eco法研究土壤微生物的数量、种群以及功能多样性,并对土壤微生物功能多样性与土壤养分的相关性进行分析。结果显示,猕猴桃园土壤可培养微生物以细菌为主,其次是放线菌,真菌数量最少。随着种植年限的增加,细菌和放线菌数量显著降低,而真菌数量显著升高。微生物平均颜色变化率(average well-color development,AWCD)、微生物群落Shannon-Wiener指数(H′)、Simpson指数(D)及McIntosh指数(U)均随种植年限的增加而显著降低。主成分分析显示,不同种植年限猕猴桃园土壤微生物碳源利用特征明显不同,0～5 a、5～10 a和10～20 a的猕猴桃园土壤微生物群落分别被划分在载荷图的第一、第四和第三象限。猕猴桃园土壤微生物对糖类、氨基酸类和酯类的利用率相对较高,而对醇类、胺类和酸类的利用率相对较低。对第1主成分贡献大的碳源(|r|≥0.5)有11种,其中糖类占36%,氨基酸类和酯类均占18%。土壤微生物功能多样性与土壤养分相关性分析表明,土壤微生物功能多样性与土壤有机质正相关,与有效磷和速效钾负相关。结果表明,随种植年限的增加,猕猴桃园土壤微生物的数量和结构发生变化,微生物功能多样性降低,对碳源利用能力降低。鉴于土壤微生物功能多样性与土壤养分的相关性,应合理加大有机肥施用量,适量减少有效磷和速效钾的施用量。     

蝎子肠道内微生物多样性研究

蝎子是一种重要的药用动物,还具有很高的营养价值。分别采用非培养和纯培养方法研究蝎子肠道内的微生物群落,结果表明,非培养方法检测到的蝎子肠道内微生物大部分属于α,β,γ-Proteobacteria类群,纯培养法分离到的菌株多属于高G C含量的革兰氏阳性菌,两种方法都检测到肠杆菌属(Enterobacter)、沙雷氏菌属(Serratia)、苍白杆菌属(Ochrobactrum)菌株,综合两种方法检测结果,蝎子肠道微生物共包括23个属,分别是肠杆菌属(Enterobacter)、沙雷氏菌属(Serratia)、假单胞菌属(Pseudomonas)、不动杆菌属(Acinetobacter)、气单胞菌属(Aeromonas)、柠檬酸杆菌属(Citrobacter)、土地杆菌属(Pedobacter)、代尔夫特菌属(Delftia)、罗尔斯通氏菌属(Ralstonia)、苍白杆菌属(Ochrobactrum)、鞘鞍醇单胞菌属(Sphingomonas)、微小杆菌属(Exiguobacterium)、戈登氏菌属(Gordonia)、诺卡氏菌属(Nocardia)、红球菌属(Rhodococcus)、两面神菌属(Janibacter)、考克氏菌属(Kocuria)、微球菌属(Micrococcus)、壤霉菌属(Agromyces)、微杆菌属(Microbacterium)、土壤球菌属(Agrococcus)、异常球菌属(Deinococcus)、鸟氨酸微菌属(Ornithinimicrobium),还有一些属于不能培养的未知菌。     

不同药用植物根际土壤原核微生物多样性研究

为研究不同药用植物根际土壤中的原核微生物多样性,分别采集白术(Atractylodes macrocephala)、白芍(Paeonia sterniana)、牡丹(Paeonia suffruticosa)、玄参(Scrophularia ningpoensis)四种药用植物的根际土壤以及非种植区的土壤,针对16S rRNA基因的V3～V4区进行测序,分析土壤细菌群落的组成。结果表明,药用植物根际土壤中的细菌群落多样性指数显著高于非种植区土壤。五组样本的优势类群差异不大,总体相对丰度较高的有变形菌门(Proteobacteria)、酸杆菌门(Acidobacteria)、放线菌门(Actinobacteria)、芽单胞菌门(Gemmatimonadetes)、绿弯菌门(Chloroflexi)等,药用植物根际中的放线菌相对丰度高于非种植区。属水平上四种药用植物根际细菌和非种植区的群落结构有较大差异,四种中药材的根际土壤中各自富集了特异性的有益细菌属。药用植物根际土壤中的NMD1、Dongia、Gaiella、Streptomyces等相对丰度高于非种植区,而非种植区土壤中Lysoba...     

深海微生物多样性

海洋面积约占地球总面积的70％,平均深度3,800 m,海底平均压力38 MPa,海水以下更是包含有物理化学性质迥异的多种地质结构,例如海洋沉积物、洋壳、热液口以及冷泉等.这些性质迥异的地质结构环境造就了丰富的生物多样性,构成了地球上最大的微生物生态系统.深海海水中最主要的微生物类群是α-,γ-变形菌(Alpha-&Gammaproteobacteria),以及海洋古菌群I(Marine Group I).深海沉积物中微生物含量与有机物含量和距离大陆板块的距离相关,以异养微生物为主.深海冷泉区富集了厌氧甲烷氧化古菌ANME和硫酸盐还原菌(Deltaproteobacteria);深海热液区由于具有化学物质的多样性和快速的动态变化而导致形成微生物的高度多样性.洋壳主要由基性、超基性岩构成,含有丰富的矿物,其中不乏参与铁、锰、硫等关键代谢反应的化能自养微生物.同时,由于环境中99％以上的微生物没有已培养的亲缘种,因此对深海微生物的多样性、生理功能特性以及生物地球化学作用的理解和研究仍然存在巨大的挑战.本文将尝试从不同的深海环境分区来综述深海海水、沉积物、洋壳,以及冷泉区和热液口等特殊生态环境中微生物的分布和多样性.     

大兴安岭不同落叶松林植被土壤微生物多样性

利用选择性培养基,研究了杜香-落叶松林(LLV)、草类-落叶松林(HLV)、柴桦-落叶松林(BLV)、皆伐-落叶松林(CL)、火烧-落叶松林(LFB)5个样地土壤微生物的数量、种群组成、Shannon指数(H)、丰富度(S)、Pielou均匀度指数(J)、Simpson优势度(D)。从5个样地共分离到细菌24属,优势菌属主要为短杆菌属(Brevibacterium)、芽孢杆菌属(Bacillus)、棒杆菌属(Corynebacterium)、微球菌属(Micrococcus);放线菌为链霉菌的6个类群,优势类群主要为白色类群(Albosporus)和黄色类群(Flavus);真菌20属,优势菌属为青霉属(Penicillium)和头孢属(Cephalosporium)。兴安落叶松林不同样地微生物的多样性指数(H)、丰富度指数(S)、均匀度指数(J)及优势度指数(D)随样地不同而发生变化,细菌的多样性和丰富度指数为LLVHLVLFBCLBLV,放线菌为BLVHLVLLVLFBCL,真菌为CLHLVBLVLFBLLV。     

土壤管理措施及环境因素对土壤微生物多样性影响研究进展

本文综述了土壤管理措施及环境因素对土壤微生物多样性影响的研究进展,并介绍了土壤微生物多样性的研究方法,土壤微生物多样性包括微生物物种多样性、遗传多样性和生态多样性。传统上,土壤微生物群落的分析依赖于培养技术,但使用该技术只能培养和分离出一部分土壤微生物群落。现在国际上普遍使用Biolog分析、磷脂脂肪酸(PLFA)分析和核酸分析等多种现代技术研究和表征土壤微生物多样性。土壤微生物多样性受土壤管理措施和多种环境因素的影响。农药可能使土壤微生物多样性减少或改变其结构和功能;施有机肥有利于维持土壤微生物的多样性及活性;但在施用无机肥的影响上目前的报道有矛盾之处。农业土壤减少耕作可能增加微生物多样性和生物量;轮作可能比单一栽培耕作更有利于维持土壤微生物的多样性及活性。土壤微生物多样性也受土壤有机质、植被、季节变化等因素的影响,且通常遭受干旱、过度放牧、营养缺乏等的胁迫作用。     

极地陆域微生物多样性研究进展

极地是指高纬度、高海拔地区,包括南极(60°S以南)、北极(60°N以北)和被称为“第三极”的青藏高原地区(平均海拔4,500 m).这些地区气温极低、养分极度贫乏,生态系统非常脆弱,对全球气候变化极为敏感,该地区生态系统一旦破坏将很难恢复.尽管极地地区自然条件恶劣,但在这些极端环境中栖息着大量微生物,是元素生物地球化学循环的主要驱动者,对极地生态系统的构建和维持具有非常重要的作用.本文综述了极地土壤、湖泊和冰川等陆域环境微生物研究进展.在这些极地环境中,目前已发现了Acidobacteria,Actinobacteria,Bacteroidetes,Cyanobacteria和Firmicutes等类群,这些微生物具有嗜盐/耐盐及耐低温等特征.我国在极地微生物生态学研究方面落后于发达国家,建议优先发展较易到达的青藏高原地区微生物生态学长期定位观测,这将有助于较快提升我国极地微生物多样性研究水平,深入了解极端生命过程及其生态学效应.     

Marine bacterial diversity as a resource for novel microbial products

Marine bacteria are an important and relatively unexplored resource for novel microbial products. In this review, we discuss a number of issues relevant to the industrial potential of marine microorganisms including how marine and terrestrial bacteria differ, both physiologically and taxonomically, and what constitute reasonable expectations of the biosynthetic capabilities of marine bacteria relative to terrestrial bacteria and to marine macroorganisms. Also discussed is the concept that bacterial associations with marine plants and animals, which range from casual encounters to obligate symbioses, provide unique opportunities for bacterial adaptation. It is proposed that some of these adaptations would not be selected for in the absence of environmental parameters associated with the host, and that these adaptations can include the biosynthesis of unique metabolic products.     

Effects of agronomical measures on the microbial diversity of soils as related to the suppression of soil-borne plant pathogens

The diversity of soil microbial communities can be key to the capacity of soils tosuppress soil-borne plant diseases. As agricultural practice, as well as directedagronomical measures, are known to be able to affect soil microbial diversity, it isplausible that the soil microflora can be geared towards a greater suppressivity ofsoil-borne diseases as a result of the selection of suitable soil management regimes.In the context of a programme aimed at investigating the microbial diversity of soilsunder different agricultural regimes, including permanent grassland versus arableland under agricultural rotation, we assessed how soil microbial diversity is affectedin relation to the suppression of the soil-borne potato pathogen Rhizoctoniasolani AG3. The diversity in the microbial communities over about a growingseason was described by using cultivation-based – plating on different media – and cultivation-independent – soil DNA-based PCR followed by denaturing gradient gel electrophoresis (DGGE) community fingerprinting – methods. The results showed great diversity in the soil microbiota at both the culturable and cultivation-independent detection levels. Using cultivation methods, various differences between treatments with respect to sizes of bacterial and fungal populations were detected, with highest population sizes generally found in rhizospheres. In addition, the evenness of eco-physiologically differing bacterial types was higher in grassland than in arable land under rotation. At the cultivation-independent level, clear differences in the diversities of several microbial groups between permanent grassland and arable land under rotation were apparent. Bio-assays that assessed the growth of R. solani AG3 hyphae through soil indicated a greater growth suppression in grassland than in arable land soils. Similarly, an experiment performed in the glasshouse showed clear differences in both microbial diversities and suppressiveness of R. solani growth in soil, depending on the presence of either maizeor oats as the crop. The significance of these findings for designing soil managementstrategies is discussed.     

土壤微生物多样性研究方法

概述了研究土壤微生物多样性的主要方法．传统上,土壤微生物群落的分析依赖于培养技术,使用各种培养基最大限度地培养各种微生物群体,但仍只能培养和分离出一小部分土壤微生物群落．使用Biolog分析、磷脂脂肪酸分析和核酸分析等方法,可研究和表征那些现在还不能够被培养的土壤微生物。从而获取关于土壤微生物群落多样性的更多和更完整的信息．     

树种多样性和土壤微生物多样性对人工林生产力的影响

林分生产力通常会随着树种多样性增加而增加,但不同营养级生物多样性以及树种和土壤微生物多样性之间的相互作用如何影响生产力目前尚不清楚。以亚热带不同丰富度和树种组成的人工林为研究对象,从物种、功能性状、遗传三个维度的树种多样性以及土壤真菌和细菌系统发育多样性,探究了中国亚热带人工林树种多样性和土壤微生物多样性对林分生产力的影响。研究发现,林分生产力随树种功能多样性(FD)(P<0.001)、比叶面积群落加权均值(CWM-SLA)(P<0.01)、树种系统发育多样性(PD)(P<0.05)和土壤真菌多样性(PDF)(P<0.01)的增加而显著增加,分别解释了林分生产力总变异的12.86%、6.80%、3.67%和3.08%。FD和CWM-SLA可分别通过增加土壤真菌、细菌多样性而间接提高林分生产力。研究结果表明多营养级生物多样性是维持高水平林分生产力的基础,树种多样性和土壤微生物多样性之间的自上而下的级联效应在调节生态系统生产力方面发挥着重要作用。     

微生物多样性保护与病原微生物资源保藏

本文从微生物物种的多样性保护以及病原微生物资源的保藏等方面详细阐述了微生物资源保护与保藏的相互关系与重要性,介绍了微生物多样性保护及其研究进展和意义,病原微生物保藏的概述、资源的收集与共享,以及保藏机构相关信息。     

BIPES,a cost-effective high-throughput method for assessing microbial diversity

Pyrosequencing of 16S rRNA (16S) variable tags has become the most popular method for assessing microbial diversity, but the method remains costly for the evaluation of large numbers of environmental samples with high sequencing depths. We developed a barcoded Illumina paired-end (PE) sequencing (BIPES) method that sequences each 16S V6 tag from both ends on the Illumina HiSeq 2000, and the PE reads are then overlapped to obtain the V6 tag. The average accuracy of Illumina single-end (SE) reads was only 97.9%, which decreased from ∼99.9% at the start of the read to less than 85% at the end of the read; nevertheless, overlapping of the PE reads significantly increased the sequencing accuracy to 99.65% by verifying the 3′ end of each SE in which the sequencing quality was degraded. After the removal of tags with two or more mismatches within the medial 40–70 bases of the reads and of tags with any primer errors, the overall base sequencing accuracy of the BIPES reads was further increased to 99.93%. The BIPES reads reflected the amounts of the various tags in the initial template, but long tags and high GC tags were underestimated. The BIPES method yields 20–50 times more 16S V6 tags than does pyrosequencing in a single-flow cell run, and each of the BIPES reads costs less than 1/40 of a pyrosequencing read. As a laborsaving and cost-effective method, BIPES can be routinely used to analyze the microbial ecology of both environmental and human microbiomes.     

Headwaters are critical reservoirs of microbial diversity for fluvial networks

Streams and rivers form conspicuous networks on the Earth and are among nature''s most effective integrators. Their dendritic structure reaches into the terrestrial landscape and accumulates water and sediment en route from abundant headwater streams to a single river mouth. The prevailing view over the last decades has been that biological diversity also accumulates downstream. Here, we show that this pattern does not hold for fluvial biofilms, which are the dominant mode of microbial life in streams and rivers and which fulfil critical ecosystem functions therein. Using 454 pyrosequencing on benthic biofilms from 114 streams, we found that microbial diversity decreased from headwaters downstream and especially at confluences. We suggest that the local environment and biotic interactions may modify the influence of metacommunity connectivity on local biofilm biodiversity throughout the network. In addition, there was a high degree of variability in species composition among headwater streams that could not be explained by geographical distance between catchments. This suggests that the dendritic nature of fluvial networks constrains the distributional patterns of microbial diversity similar to that of animals. Our observations highlight the contributions that headwaters make in the maintenance of microbial biodiversity in fluvial networks.     

青藏高原禾草混播对土壤微生物多样性的影响

土壤微生物多样性的形成、维持和变化机理是生态学研究的核心内容, 已有大量研究表明土壤微生物群落构建不仅受到土壤环境的深刻影响, 也与植物群落物种多样性密切相关。由于自然群落中土壤环境和植物多样性协同影响土壤微生物, 难以区分和厘清植物多样性和土壤环境对土壤微生物多样性构建的各自影响。该研究基于在青藏高原高寒草地构建的人工草地群落, 比较分析了3种优势禾本科牧草单播和混播及施肥处理13年后, 土壤细菌和真菌物种多样性及其与植物群落和土壤理化因子的关系。主要结果: 1)与各单播处理相比, 3种牧草两两混播一致显著降低了土壤细菌群落的丰富度和多样性, 其中变形菌门和放线菌门相对丰度显著增加, 而酸杆菌门、拟杆菌门和浮霉菌门相对丰度显著减小; 牧草混播对土壤真菌多样性没有显著影响。2)牧草混播显著降低了土壤pH和土壤全氮含量, 增加了土壤全磷含量; 施肥显著降低土壤pH, 增加了土壤速效磷含量; 但这些土壤理化因子的变化不足以解释土壤细菌和真菌多样性在处理间的差异。3)施肥显著提高了植物群落地上生物量, 降低了植物物种丰富度, 土壤细菌多样性随植物物种丰富度增加而减小, 而与植物生物量变化无关。该研究在野外条件下, 通过长期控制实验揭示了高寒草地禾草混播并不增加土壤微生物多样性, 为高寒地区牧草混播人工草地实践提供了科学依据。