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。     

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。     

东南极达尔克冰川-183m深处冰层融水细菌多样性研究

【目的】目前对于南极冰层微生物研究较少,而且研究手段多为纯培养和高通量测序,对于其中的微生物群落多样性仍知之甚少。本研究拟研究东南极达尔克冰川冰层中微生物群落组成。【方法】采用纯培养法、单细胞分选和高通量测序3种方法对东南极达尔克冰川冰层微生物进行研究,探究该生境中微生物的群落组成。【结果】从达尔克冰川中分离出10门19纲94属。其中,变形菌门(Proteobacteria)为优势菌门,α-变形菌纲(Alphaproteobacteria)为优势纲,鞘氨醇单胞菌属(Sphingomonas)为优势属,结果显示冰层中存在较为丰富的微生物多样性。其中,纯培养法分离出25株细菌。单细胞分选方法分离得到24株细菌。高通量测序共得到55 183条序列,聚类出116个操作分类单元(operational taxonomic unit, OTU)。3种研究方法得出的优势种群不尽相同。通过单细胞分选和纯培养法共获得7株细菌,它们与数据库最近源16S rRNA基因序列的相似度小于98.65%,其中有2株菌株与最近源16S rRNA基因序列的相似度小于95.00%,推测可能有2个潜在新属,5个潜在新种。【结论】本研究通过纯培养法、单细胞分选以及高通量测序3种方法对东南极达尔克冰川冰层微生物多样性进行研究发现,该生境中细菌多样性复杂。对比3种方法,其各有优势和局限性。这意味着结合使用多种研究方法研究微生物多样性,可获得更加全面的微生物群落组成。研究结果可为挖掘南极微生物资源提供数据基础。     

微生物单细胞分离方法研究进展

自然界中大多数微生物处于未培养状态,被称为“微生物暗物质”。随着微生物单细胞分离方法的不断更新,利用新技术、新方法应对微生物纯培养的挑战获得了重要进展,这些新的分离及培养策略对推动微生物资源学的发展具有重要意义。尽管宏基因组学和基因组学数据相关成果日益增多,但微生物单细胞的分离与培养对于系统研究微生物的生态功能、遗传进化等仍至关重要。本文主要概述了目前使用的或正在研发的膜扩散培养法、微流控分选、荧光激活细胞分选、单细胞拉曼分选、光镊技术、显微操作技术等单细胞分离技术的原理与应用,及其在微生物单细胞分离和培养方面的优点与不足,同时展望了这些单细胞分离技术未来的发展和应用前景。     

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。     

高通量自动化微生物微液滴进化培养与筛选技术及其装备化

液滴微流控由于可以快速生成大量微液滴,并实现单个液滴独立的控制,每个液滴都可以作为独立的单元进行微生物培养,因此在微生物的高通量培养方面具有独特的应用优势。然而现有研究多停留在实验室搭建和使用阶段,存在操作要求高、影响因素多、缺乏自动化集成技术等关键问题,制约了液滴微流控技术在微生物研究中的应用。文中以解决液滴微流控技术用于微生物培养的装备化问题为目标,系统研究了微流控各单元模块的结构与功能,通过对液滴的发生、培养、检测、分割、融合、分选等多种操作的开发与集成,成功研制出了小型一体化、全自动高通量的微生物微液滴培养(Microbial Microdroplet Culture system,MMC)装备系统,可用于微生物的生长曲线测定、适应性进化、单因素多水平分析及代谢物检测等,为面向微生物菌种高效选育的进化培养和筛选提供了高通量仪器平台。     

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。     

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。     

海洋环境中难培养微生物的寡营养培养

海洋中存在着丰富的微生物资源, 但迄今为止能够在实验室培养的微生物却不到1%, 而且能够通过培养得到的环境优势种更少, 这成为当代环境微生物学研究和海洋资源开发的最大障碍。过去十多年来, 通过不断改进培养方法和检测手段, 发明了许多新颖独特的技术, 提高了培养效率。特别是通过海洋微生物的寡营养培养技术, 分离并命名了一些难培养微生物, 给予人们极大的启发。海洋微生物资源的可持续性开发和利用, 是21世纪人类发展的重要方向, 是我们研究海洋微观世界的基础, 值得微生物学界同仁的共同关注。     

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。     

High-throughput methods for culturing microorganisms in very-low-nutrient media yield diverse new marine isolates

Microbial diversity studies based on the cloning and sequencing of DNA from nature support the conclusion that only a fraction of the microbial diversity is currently represented in culture collections. Out of over 40 known prokaryotic phyla, only half have cultured representatives. In an effort to culture the uncultured phylotypes from oligotrophic marine ecosystems, we developed high-throughput culturing procedures that utilize the concept of extinction culturing to isolate cultures in small volumes of low-nutrient media. In these experiments, marine bacteria were isolated and cultivated at in situ substrate concentrations-typically 3 orders of magnitude less than common laboratory media. Microtiter plates and a newly developed procedure for making cell arrays were employed to raise the throughput rate and lower detection sensitivity, permitting cell enumeration from 200-microl aliquots of cultures with densities as low as 10(3) cells/ml. Approximately 2,500 extinction cultures from 11 separate samplings of marine bacterioplankton were screened over the course of 3 years. Up to 14% of the cells collected from coastal seawater were cultured by this method, which was 14- to 1,400-fold higher than the numbers obtained by traditional microbiological culturing techniques. Among the microorganisms cultured were four unique cell lineages that belong to previously uncultured or undescribed marine Proteobacteria clades known from environmental gene cloning studies. These cultures are related to the clades SAR11 (alpha subclass), OM43 (beta subclass), SAR92 (gamma subclass), and OM60/OM241 (gamma subclass). This method proved successful for the cultivation of previously uncultured marine bacterioplankton that have consistently been found in marine clone libraries.     

Coastal Synechococcus metagenome reveals major roles for horizontal gene transfer and plasmids in population diversity

The extent to which cultured strains represent the genetic diversity of a population of microorganisms is poorly understood. Because they do not require culturing, metagenomic approaches have the potential to reveal the genetic diversity of the microbes actually present in an environment. From coastal California seawater, a complex and diverse environment, the marine cyanobacteria of the genus Synechococcus were enriched by flow cytometry-based sorting and the population metagenome was analysed with 454 sequencing technology. The sequence data were compared with model Synechococcus genomes, including those of two coastal strains, one isolated from the same and one from a very similar environment. The natural population metagenome had high sequence identity to most genes from the coastal model strains but diverged greatly from these genomes in multiple regions of atypical trinucleotide content that encoded diverse functions. These results can be explained by extensive horizontal gene transfer presumably with large differences in horizontally transferred genetic material between different strains. Some assembled contigs showed the presence of novel open reading frames not found in the model genomes, but these could not yet be unambiguously assigned to a Synechococcus clade. At least three distinct mobile DNA elements (plasmids) not found in model strain genomes were detected in the assembled contigs, suggesting for the first time their likely importance in marine cyanobacterial populations and possible role in horizontal gene transfer.     

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。     

High-throughput culturing of fungi from plant litter by a dilution-to-extinction technique

High-throughput bacterial cultivation has improved the recovery of slow-growing and previously uncultured bacteria. The most robust high-throughput methods are based on techniques of 'dilution to extinction' or 'extinction culturing'. The low-density partitioning of CFUs in tubes or microwells exploits the fact that the number of culturable species typically increases as inoculum density decreases. Bacterial high-throughput culturing methods were adapted to fungi to generate large numbers of fungal extinction cultures. The efficiency of extinction culturing was assessed by comparing it with particle filtration and automated plate-streaking. Equal volumes of particle suspension from five litter collections of the New Zealand forest tree Elaeocarpus dentatus were compared. Dilute particle suspensions of litter were pipetted into 48-well tissue culture plates containing 1 mL of agar medium per well. Particle volumes from the same samples were applied to continuous agar surfaces in Omnitray plates by automated streaking, and fungal diversity and richness were measured. The spectrum of isolates was assessed by microscopy and sequencing of the ITS or 28S region of the rRNA gene. Estimates of species diversity between the two methods were comparable, but extinction culturing increased species richness. Compared with plating methods using continuous surfaces, extinction culturing distributes fungal propagules over partitioned surfaces. Intercolony interactions are reduced, permitting longer incubation times, and colony initiation and recovery improved. Effort to evaluate and recover colonies from fungal isolation plates was substantially reduced.     

常压室温等离子体诱变育种与微生物液滴培养筛选技术应用进展

安全和高效的微生物突变及高通量筛选技术是微生物功能发掘、功能创制和生物产业技术创新的重要方向及重要支撑.有效的生物育种技术及高通量筛选技术成为该领域研究人员的关注点.其中,常压室温等离子体(atmospheric and room temperature plasma,ARTP)因具有活性粒子种类多、操作可控性强、基因...     

木质素在海洋中的生物转化及其对海洋碳循环的影响

微型生物参与的海洋碳汇是海洋重要的储碳途径,可调节全球气候变化。木质素是地球上第二大光合而成的碳库,其在海洋中的生物地球化学过程与海洋碳循环密切相关。异养微生物所主导的代谢活动是木质素生物转化的主要途径。近年来,迅速发展的高通量测序技术与传统微生物技术相结合,在探索自然生境中木质素代谢菌群,发现木质素代谢新物种,挖掘相关功能基因等方面已取得一系列成果。然而绝大多数的研究主要集中于陆地生态系统,对于海洋生态系统的研究仍较少。陆源有机碳在海洋中的转化过程仍是一个"谜",故解析海洋木质素碳转化是海洋碳循环研究的重要任务。本文综述了参与海洋木质素转化的功能微生物、木质素代谢机理以及微生物碳代谢活动与海洋碳汇过程的内在联系,为今后的研究提供参考。     

高产吡咯喹啉醌扭脱甲基杆菌的高通量选育

吡咯喹啉醌(PQQ)是一种细菌脱氢酶的辅酶,具有促进机体生长、调节机体自由基水平等功能,应用于食品、医药等领域。由于化学合成法成本较高,微生物发酵法生产PQQ受到关注。目前,发酵法生产PQQ产量较低,限制了其工业应用。然而,由于对PQQ菌株的合成与调控机制尚缺乏深入理解,以及对野生型菌株缺乏必要的基因工程改造手段,目前采用代谢工程强化PQQ合成菌株还缺乏相关基础。因此,本研究以扭脱甲基杆菌Methylobacterium extorquens I-F2为研究对象,整合常压室温等离子体诱变、流式细胞术分选和高通量筛选策略,对样品制备和流式分选过程进行优化,最终筛选出一株PQQ高产突变菌株1-C6,PQQ产量比出发菌株I-F2提高98.02%。本文所述的流式细胞术结合高通量筛选方法能简单、快速地获得高产突变菌株,相比于基因工程改造和传统筛选方法,具有提升效果明显且易于实施等优势。     

陆地和淡水生态系统新型微生物氮循环研究进展

氮生物地球化学循环是地球物质循环的重要枢纽,是决定陆地生态系统生产力水平、水资源安全、温室气体生成排放的关键过程。氮循环是由微生物介导的一系列复杂过程,不同形态、价态氮化合物的转化分别由相应的功能微生物驱动完成。随着厌氧氨氧化、完全氨氧化等新型氮转化过程的相继报道和发现更新了人们对氮循环的认识。本文综述了陆地和淡水生态系统中厌氧氨氧化(anammox)、硝酸盐异化还原为铵(DNRA)、完全氨氧化(comammox)等新型氮循环过程的发生机制、热区分布及环境效应,并总结了这三种氮循环的相互关系。