宏蛋白质组学:研究微生物群落的一种新策略

宏蛋白质组学是一种运用蛋白质组技术对特定微生物群落所产生的全部蛋白质进行大规模研究与分析的新技术。简要概述宏蛋白组学的产生、研究策略及其应用情况,并对其应用前景进行展望。     

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。     

宏蛋白质组学技术在废水生物处理工艺研究领域中的应用

随着后基因组时代的到来,宏蛋白质组学逐渐兴起并在生命科学基础领域和临床医药领域成功运用,宏蛋白质组学技术现已成为各研究领域炙手可热的方法之一.宏蛋白质组学技术在废水生物处理研究领域中的应用刚起步,但已展示其强大功能.本文主要综述近年来国内外宏蛋白质组学在废水生物处理研究领域的研究进展,回顾及总结了宏蛋白质组学的研究策略及应用,如鉴定功能性蛋白质/酶、揭示污染物的微生物降解途径、推断废水生物处理系统的关键代谢途径、及探讨不同污泥微生物群落微生态变化等.
     

用于分析微生物种类组成的微生物生态学研究方法

对环境中微生物群落进行分析对于理解该环境中各类微生物的功能具有重要意义,因此日益受到重视。用于环境中微生物群落分析的方法很多,将简要介绍基于PCR的研究方法,原位杂交技术,基因芯片技术,宏蛋白质组学技术等研究方法的原理、应用及其优缺点。     

宏蛋白质组学研究策略及应用

宏蛋白质组学是近年来出现的一种对天然环境微生态进行大规模蛋白质组学研究工作,其定义为对给定位点的环境微生物群落的所有蛋白质组成进行的即时的大规模的分析。以下将通过分析已有的宏蛋白质组学研究,并结合本研究组的研究经验,对本领域的研究策略、进展情况等加以综述。     

环境微生物群落功能研究的新方法和新策略

微生物群落在驱动生物地球化学循环中扮演着重要角色,传统的研究方法可对微生物群落进行遗传结构的解析,但不能有效地与功能研究耦联.概述了近年发展起来的基于核酸和蛋白质水平的分子生物学新方法--环境mRNA 和 rRNA同时荧光原位杂交(FISH)、寡核苷酸微阵列技术(Oligonucleotide Microarray)、 稳定性同位素联合宏基因组学(SIP-enabled Metagenomics)和环境蛋白质组学(Metaproteomics)在环境微生物群落功能研究中的应用,并且对其发展趋势进行了分析和展望.     

宏组学方法在污水处理系统中的应用进展

污水生物处理由微生物生理过程驱动,宏组学方法能够获得不同水平的分子信息,为认识污水处理系统中的微生物提供了新途径。本文对宏基因组学、宏转录组学、宏蛋白质组学与代谢组学等宏组学方法的发展进行综述,着重介绍各组学及整合宏组学在污水处理系统中的研究现状,并指出其应用前景。     

土壤宏蛋白质组学在土壤污染评价中的应用

土壤微生物指标是评价土壤污染程度的重要生物学指标之一.近年来,随着分子生物学的发展,应用宏基因组学、宏转录组学和宏蛋白质组学技术考察土壤微生物的生态功能成为土壤功能的研究热点.相对于宏基因组学和宏转录组学,土壤宏蛋白质组学是以土壤微生物基因的功能组分——蛋白质为直接研究对象,考察不同时空点提取出来的土壤蛋白质的变化规律,更有助于揭示土壤微生物的生态功能及其在污染物迁移转化过程中的作用,在评价土壤污染方面也更具潜力.目前,土壤宏蛋白质组学正处于起步阶段,而土壤蛋白质的提取方法是制约其发展的主要因素之一,因此本文综述了蛋白质作为土壤污染评价指标的优势,重点比较了不同土壤蛋白质提取方法的优劣,结合案例分析了蛋白质作为土壤污染评价指标的可行性及存在的问题,并对土壤宏蛋白质组学的发展进行展望.     

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。     

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。     

有机磷生物修复研究进展

目前,有机磷的生物修复还主要是微生物修复。但是植物修复更具优越性,因其花费更少、对环境更安全。然而植物对生长条件的要求相对较高,修复效率较低,应用还非常有限。本文综述了有机磷微生物修复和植物修复的研究进展,总结了已知的有机磷降解酶及其生物来源。结果表明,植物材料的筛选、土壤与OPs作用机理的研究、植物耐受和消除OPs的基因组学研究、植物-微生物联合降解体系的建立以及降解酶的植物根系分泌系统的利用是提高有机磷植物修复效率的重要途径。     

Microbial Fuel Cells and Microbial Ecology: Applications in Ruminant Health and Production Research

Microbial fuel cell (MFC) systems employ the catalytic activity of microbes to produce electricity from the oxidation of organic, and in some cases inorganic, substrates. MFC systems have been primarily explored for their use in bioremediation and bioenergy applications; however, these systems also offer a unique strategy for the cultivation of synergistic microbial communities. It has been hypothesized that the mechanism(s) of microbial electron transfer that enable electricity production in MFCs may be a cooperative strategy within mixed microbial consortia that is associated with, or is an alternative to, interspecies hydrogen (H₂) transfer. Microbial fermentation processes and methanogenesis in ruminant animals are highly dependent on the consumption and production of H₂in the rumen. Given the crucial role that H₂ plays in ruminant digestion, it is desirable to understand the microbial relationships that control H₂ partial pressures within the rumen; MFCs may serve as unique tools for studying this complex ecological system. Further, MFC systems offer a novel approach to studying biofilms that form under different redox conditions and may be applied to achieve a greater understanding of how microbial biofilms impact animal health. Here, we present a brief summary of the efforts made towards understanding rumen microbial ecology, microbial biofilms related to animal health, and how MFCs may be further applied in ruminant research.     

合成微生物体系研究进展

合成微生物体系作为自下而上构建的人工合成微生物群落,相比于自然微生物群落具有复杂度低及可控性、可操作性强等特点。其作为新兴的生物技术,综合借鉴了合成生物学、系统生物学、生物进化等知识,通过合理的设计、规划与调控,成为研究微生物生态学理论的实验平台,以及验证已知理论的微生物系统。本文首先简单介绍了合成微生物体系的概念及其由来,阐述了其基本构建原则,随后介绍了其生态学理论基础,并总结概括了近年来的实际应用,最后提出合成微生物体系的发展前景,包括需要设计构建更为复杂的人工合成微生物群落,以及优化生态模型。     

红树林土壤微生物的研究：过去、现在、未来

红树林土壤生境的独特性决定了其中微生物的多样性及其资源的珍稀性,对于红树林土壤微生物的研究正在成为热点。然而由于传统研究方法等因素的限制,至今人们对红树林土壤微生物的系统了解仍较为有限。近年来,基于16S rRNA,18S rRNA基因的各种分子微生物学技术的迅速发展,红树林土壤微生物的研究亦面临着崭新的局面。文中主要从红树林土壤微生物物种的多样性、生理生化类型的多样性及其在治理污染环境、生物修复作用中的可能性、有效性等方面阐述了红树林土壤微生物的研究进展,并以更合理、有效地开发利用红树林土壤微生物资源为目标,展望了21世纪,以新理念、新技术、新方法进行红树林土壤微生物研究及资源开发的巨大前景。     

酸性矿坑废水及目前研究酸性矿坑废水微生物群落的方法

本文通过对近期文献综述,阐明了酸性矿坑废水（Acid Mine Drainage,AMD）的形成机理以及AMD的微生物多样性。综述了AMD形成过程中的硫化金属矿、黄铁矿以及白铁矿的氧化作用,同时对影响AMD形成的化学、生物学以及物理因素及其过程进行了较为详尽的阐述。对目前使用分子生物学对AMD中微生物群落研究的几种手段进行的总结。最后对研究AMD微生物群落这几种分子生物学方法进行了归纳讨论。阐明了这几种分子生物方法对研究AMD微生物群落的重要意义。     

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。     

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．     

单细胞稳定同位素标记技术在固氮微生物中的应用研究

生物固氮是指固氮微生物将大气中氮气还原为生物可利用氨的过程,是环境中新氮的主要来源,调控初级生产力并影响氮储库的收支平衡。由于环境中大部分固氮微生物不可纯培养,不依赖培养且具有高空间分辨率水平的单细胞技术,成为研究固氮微生物的有力手段。~(15)N_2稳定同位素标记技术,以微生物对~(15)N的同化量或速率为依据,是表征微生物固氮活性的最直接手段。本文对~(15)N_2稳定同位素标记结合两种单细胞技术,即纳米二次离子质谱(Nano SIMS)和单细胞拉曼光谱,用于固氮微生物研究的最新进展进行了综述,内容包括揭示环境中高活性固氮微生物、空间分布、与其他生物的共生关系、细胞生理状态等,并进一步对近期发展的基于单细胞拉曼光谱的固氮微生物研究进行了展望。     

水圈微生物：推动地球重要元素循环的隐形巨人

正生活在水圈环境中的微生物数量巨大、遗传与代谢方式极为多样,它们驱动着地球上重要元素的循环。水圈微生物研究已经成为生命科学与地球科学的研究热点。国家自然科学基金委员会于2017年启动了"水圈微生物驱动地球元素循环的机制"重大研究计划(简称"水圈微生物"计划)。"水圈微生物"计划拟选择典型水圈生境,通过多学科交叉研究,借助新技术、新方法,揭示水圈微生物在物种、群落和生态水平驱动碳氮硫循环的机制及其环境响应,