微生物生态研究中BIOLOG方法数据分析及R语言实现

微生物生态研究中,对微生物群落结构、群落特征以及其与环境因素的关系的揭示,一直受到广泛关注;适当的数据分析方法有助于更清晰地刻画微生物群落结构特征,明确其与环境因素的关系。结合实例,对微生物生态研究中基于BIOLOG微平板技术的数据分析方法进行梳理,分别介绍数据读取整理、特征指数计算、非限制性排序、限制性排序、聚类分析、环境向量拟合、蒙特尔检验等常用数据操作及生态分析方法;针对不同方法结论,结合研究目标和生态理论给出具有统计学意义的解释,并评价不同方法特点及适用场景;分析过程以R语言实现,并提供全部代码。结果表明,BIOLOG方法产生数据能从多个角度表征微生物群落功能特征,并结合环境指标梯度进行分析;但BIOLOG数据可能不满足正态性分布,在基于正态分布的分析前应提前进行检验;排序分析时应慎用主成分分析,可优先采用其他基于距离矩阵的排序方法;R语言能够简化BIOLOG数据读取及操作,易于完成各类统计分析。本研究能够对微生物生态研究者科学选择应用统计分析方法、提高数据处理效率提供直接参考。     

一种基于BIOLOG代谢指纹分析的油气微生物勘探新方法

【目的】建立基于土壤微生物群落生理功能代谢的油气微生物勘探新方法。【方法】采集新疆玛北油气藏区浅层地表土壤样品45份,非油气藏区样品25份,利用BIOLOG微平板,测定微生物群落代谢活性,采用判别分析模型判断油气藏区微生物异常。【结果】从95种碳源中,筛选到10种能够体现油气藏区与非油气藏区土壤微生物群落结构差异的典型碳源,利用判别函数对试验及对照区进行回判,油气藏区判别正确率为97.8%,非油藏区判别正确率为100%,总判别正确率为98.6%。【结论】BIOLOG技术能高效准确的用于油气藏初步勘测。     

基于BIOLOG技术分析氮沉降和降水对土壤微生物功能多样性的影响

土壤微生物是有机物分解和养分循环的主要介质,因此在维持土壤的功能多样性和持续性方面发挥着关键作用。气候变化驱动因素会影响土壤微生物的生理活动,引起其群落结构和功能多样性的改变,并对生物地球化学循环和气候―生态系统反馈产生连锁效应,其中氮沉降和降水是全球气候变化的研究热点。土壤氮(N)的有效性有可能通过改变微生物的群落组成以调节微生物对降水变化的响应,但目前关于N沉降和降水及其交互作用对土壤微生物群落功能多样性的影响机制仍不清楚。为了准确预测未来气候条件下生态系统的功能状况,需要更好地了解土壤微生物对环境变化的响应。基于BIOLOG技术综述了氮沉降和降水变化及其交互作用对土壤微生物功能多样性影响的相关研究进展,可以为进一步研究全球气候变化背景下地下生态学的发展提供参考。另外,分析阐述了当前工作中存在的一些主要瓶颈,并对未来的研究热点进行了探讨和展望。     

矿山废水中微生物生态多样性研究

从湖北铜绿山铜矿和山西中条山铜矿两地采集了矿山废水样品, 用RFLP方法(限制性片段长度多态性方法)分析不同矿山废水中微生物多样性及其群落结构组成变化。结果发现：通过16S rDNA基因序列的系统发育树分析, 在5个矿山废水样品中检测到的细菌主要分为4大类：即Proteobacteria纲、Nitrospira纲、Firmicutes纲和Bacteroidetes纲。通过对古菌16S rDNA 的PCR分析发现, 取自湖北铜绿山铜矿的样品中检测到古菌的存在, 而取自山西中条山铜矿的样品中没有检测到古菌的存在。检测到的古菌主要是属于Ferroplasma属和Thermoplasma属。结合5个矿山废水样品的化学元素分析结果和细菌群落结构数据, 进行PCA分析(主成分分析), 发现不同矿山废水样品的生物地球化学性质及其微生物组成存在很大差异, pH值、温度、不同浓度的元素如S、Cu、Ni和Co可能是形成细菌种群结构差异的关键因素。     

BIOLOG细菌自动鉴定系统的应用与研究

利用ＢＩＯＬＯＧＭｉｃｒｏｓｔａｔｉｏｎ细菌自动鉴定系统对环境和临床来源的２０个属９０株菌进行了检测,同时以传统方法进行验证。２４ｈＢＩＯＬＯＧ系统鉴定结果：６２株革兰氏阴性菌中,５８株准确鉴定到属的水平（９３．５％）,５２株准确到种的水平（８３．９％）。２８株革兰氏阳性菌中,２５株准确到属的水平（８９．３％）,１１株准确到种的水平（３９．３％）,总计属的水平准确率９２．２％（８３／９０）,种的水平准确率７０．０％（６３／９０）,其中环境来源的菌株准确率高于临床样品。本文还对某些属遇到的问题     

城市河流的微生物生态研究

水域的有机物质和水温对微生物的数量和种群分布有着密切的相关性。 有机污染物数量愈多,细菌数量也多;对水温影响也很明显,一般夏季比冬季细菌要高十至几万倍。微生物区系也随污染的程度发生变化,例如在严重污染带(BOO在10—50mg／L以上),细菌以芽孢菌、肠杆菌科和假单胞菌等种群为主;真菌以地霉、黄曲霉、棕曲霉、毛霉、青霉等为主。而在寡污染带(BOD在2．5—1．0mg／L以下),细菌以对有机物质分解能力强的假单胞菌(特别是施氏假单胞菌)和无色杆菌等氧化菌群为主;真菌以青霉、毛霉和曲霉为主。     

土壤微生物生态学研究中的非培养方法

土壤微生物种类和数量是评价土壤健康质量的重要指标之一。然而环境中90%以上的微生物不能够通过传统的培养基培养方法获得。最近发展起来的分析方法如磷脂脂肪酸(PLFA)、BIOLOG微孔板和分子生物学的方法可从不同方面对土壤微生物群落进行更为详尽的分析。论文就土壤微生物生态学研究中使用的主要方法进行了综述。     

分子生物学方法及其在海洋微生物生态中的应用

微生物在生态系统中起着独一无二的生态作用.微生物生态学的发展和工农业、环境保护及社会科学有着紧密的联系.海洋作为地球上最大的生境,孕育着大量的生物资源,是研究微生物生态的主要来源.综述微生物生态研究相关的分子生物学方法及海洋微生物生态的应用进展.     

元蛋白质组分析——研究微生物生态功能的新途径

随着对微生物纯化培养和元基因组学研究的不断深入,积累了大量的微生物基因组信息,元蛋白组分析将促进我们对基因组功能的理解。目前,对微生物群落的元蛋白质组(metaproteome)的研究已成为后基因组时代进一步认识微生物生态功能的有效途径。对这一新技术的介绍结合元蛋白质组的提取和鉴定方法、元蛋白质组在研究微生物生态功能上的应用进行了综述,并对这一新的研究领域所面临的困难与挑战进行了讨论。     

454测序法在环境微生物生态研究中的应用

传统的Sanger测序技术虽已成熟,但其速度和成本的限制满足不了大规模测序的要求。第二代高通量测序技术结合了乳胶微粒和皮升级反应的454焦磷酸测序法,作为一种高通量测序技术,具有分析结果准确、高速、高灵敏度和高自动化的特点。对454测序法的技术原理和操作步骤进行了介绍,对近年来运用该方法在环境微生物生态研究领域的进展进行了综述。     

Application of multivariate statistical techniques in microbial ecology

Recent advances in high‐throughput methods of molecular analyses have led to an explosion of studies generating large‐scale ecological data sets. In particular, noticeable effect has been attained in the field of microbial ecology, where new experimental approaches provided in‐depth assessments of the composition, functions and dynamic changes of complex microbial communities. Because even a single high‐throughput experiment produces large amount of data, powerful statistical techniques of multivariate analysis are well suited to analyse and interpret these data sets. Many different multivariate techniques are available, and often it is not clear which method should be applied to a particular data set. In this review, we describe and compare the most widely used multivariate statistical techniques including exploratory, interpretive and discriminatory procedures. We consider several important limitations and assumptions of these methods, and we present examples of how these approaches have been utilized in recent studies to provide insight into the ecology of the microbial world. Finally, we offer suggestions for the selection of appropriate methods based on the research question and data set structure.     

空间分析方法在微生物生态学研究中的应用

微生物生态正在受到越来越多的关注,对其研究也渐趋深入。然而由于微生物个体微小的特点及研究手段的限制,多数研究还停留在探索阶段,研究方法也在不断完善当中。近年来,较多的研究开始探讨空间因素在微生物多样性和分布中的影响,对空间分布的探讨有助于更好地认识生态过程,是一种有力的研究手段。微生物空间分析方法已经成为微生物生态学领域中重要的研究方向之一,我国空间方法在微生物生态研究中的应用还没有得到普遍的重视。从不同研究角度出发,结合空间统计的作用,对空间统计方法在微生物生态研究中的应用的必要性及现状做了评述。介绍了空间自相关性的检验,方差图,Mantel检验,Kriging插值等方法在微生物生态研究中的应用,并论述了微生物研究中的尺度问题。这一梳理,对丰富微生物生态学研究中的新方法、新手段具有一定价值。     

Multivariate analyses in microbial ecology

Environmental microbiology is undergoing a dramatic revolution due to the increasing accumulation of biological information and contextual environmental parameters. This will not only enable a better identification of diversity patterns, but will also shed more light on the associated environmental conditions, spatial locations, and seasonal fluctuations, which could explain such patterns. Complex ecological questions may now be addressed using multivariate statistical analyses, which represent a vast potential of techniques that are still underexploited. Here, well-established exploratory and hypothesis-driven approaches are reviewed, so as to foster their addition to the microbial ecologist toolbox. Because such tools aim at reducing data set complexity, at identifying major patterns and putative causal factors, they will certainly find many applications in microbial ecology.     

纳米二次离子质谱技术(NanoSIMS)在微生物生态学研究中的应用

超高分辨率显微镜成像技术与同位素示踪技术相结合的纳米二次离子质谱技术(NanoSIMS)具有较高的灵敏度和离子传输效率、极高的质量分辨率和空间分辨率(＜ 50 nm),代表着当今离子探针成像技术的最高水平.利用稳定性或者放射性同位素在原位或者微宇宙条件下示踪目标微生物,然后将样品进行固定、脱水、树脂包埋或者导电镀膜处理,制备成可供二次离子质谱分析的薄片,进一步通过NanoSIMS成像分析,不仅能够在单细胞水平上提供微生物的生理生态特征信息,而且能够准确识别复杂环境样品中的代谢活跃的微生物细胞及其系统分类信息,对于认识微生物介导的元素生物地球化学循环机制具有重要意义.介绍了纳米二次离子质谱技术的工作原理和技术路线,及其与同位素示踪技术、透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)、荧光原位杂交技术(FISH)、催化报告沉积荧光原位杂交技术(CARD-FISH)、卤素原位杂交技术(Halogen In Situ Hybridization,HISH)等联合使用在微生物生态学研究方面的应用.     

种子微生物生态学研究进展

植物种子微生物生态学是研究与种子相联合的微生物的组成﹑功能﹑演替、它们之间关系及其与宿主之间相互关系的科学。种子中蕴含着丰富的微生物资源,它们对种子以及植物的健康具有重要的影响。不同种类植物种子联合的微生物群落由于受到种子本身及外界环境因素的影响而有所差异。论述了种子微生物生态学的概念、主要研究方法、种子微生物生态系统中的微生物种类、相关影响因素,以及种子微生物生态学研究的发展方向。种子微生物生态学的研究对生产实践有重要意义,同时也将丰富种子生物学的内容,对种子科学的发展起到促进作用。     

磷脂脂肪酸谱图分析方法及其在微生物生态学领域的应用

应用磷脂脂肪酸谱图分析技术对微生物群落进行定量分布,克服了传统的微生物培养方法和显微技术的局限性。介绍了磷脂脂肪酸谱图分析方法及其在微生物生态学领域中的应用,包括对微生物群落的生物量、群落结构、营养状况和新陈代谢活动等方面的研究。     

分子微生物生态学及其研究进展

分子微生物生态学是分子生物学实验技术应用于微生物生态学研究领域而发展形成的一门交叉学科,在研究微生物生态系统组成结构、功能的分子机理以及微生物与生物和非生物环境之间相互关系等方面显示了巨大的潜力．十几年来分子微生物生态学研究所取得的成就证明：分子生物学研究技术向微生物生态学领域的不断渗透,为微生物生态学研究领域注入了新的活力,尤其在微生物多样性、微生物区系分子组成及变化规律以及微生物系统进化研究方面取得了重大突破．本文根据近年分子微生物生态学的研究进展,就分子微生物生态学概念的提出、发展历程、主要研究领域、主要研究方法以及未来研究热点领域作以简要综述。     

Decomposing biodiversity data using the Latent Dirichlet Allocation model,a probabilistic multivariate statistical method

We propose a novel multivariate method to analyse biodiversity data based on the Latent Dirichlet Allocation (LDA) model. LDA, a probabilistic model, reduces assemblages to sets of distinct component communities. It produces easily interpretable results, can represent abrupt and gradual changes in composition, accommodates missing data and allows for coherent estimates of uncertainty. We illustrate our method using tree data for the eastern United States and from a tropical successional chronosequence. The model is able to detect pervasive declines in the oak community in Minnesota and Indiana, potentially due to fire suppression, increased growing season precipitation and herbivory. The chronosequence analysis is able to delineate clear successional trends in species composition, while also revealing that site‐specific factors significantly impact these successional trajectories. The proposed method provides a means to decompose and track the dynamics of species assemblages along temporal and spatial gradients, including effects of global change and forest disturbances.