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.     

FISH-FCM方法检测酵母-细菌二元体系中微生物数量

以废水生物处理系统和生物发酵系统出现的酵母-细菌二元体系作为研究对象,探讨了二元体系生物样品的最佳超声分散条件以及同时检测酵母和细菌数量时荧光原位杂交（FISH）-流式细胞术（FCM）技术的测量精度。染色-FCM检测表明：同时适用于混合酵母样品（酵母假菌丝）和混合细菌样品（活性污泥絮体）的最佳超声分散条件为100W、60～90s,但过强超声条件（120s）对酵母Candida tropicalis纯培养物（或细菌Escherichia coli纯培养物）的超声粉碎效果完全不同于混合酵母样品（或混合细菌样品）。在此基础上,以C．tropicalis和E．coli分别作为酵母和细菌的模式微生物,采用双探针杂交的FISH—FCM技术检测了背景微生物（C．tropicalis或Ecoll）浓度为10^7个／ml时二元体系中目标微生物（10^2～10^7个／ml）的数量。流式细胞仪能够明显区分噪音和二元体系中的酵母和细菌,因而一次进样时能够同时分析两种微生物数量,并且目标微生物浓度可以精确到10^4个／ml,此时微生物含量仅为0．1％,其中细菌浓度甚至可以精确到10^3个／ml（相应含量仅为0．01％）。然而,当二元体系中目标微生物浓度过低时（〈10^4个酵母／ml或〈10^4个细菌／ml）,背景微生物的存在会严重影响FISH—FCM技术的测量准确性。     

土壤添加蛇床子(Cnidium monnieri)和苦参(Sophora flavescens)对茄子黄萎病及根际微生物的化感影响

研究了蛇床子、苦参对茄子黄萎病菌的化感抑制作用及对茄子根际微生物数量的影响。结果表明,蛇床子、苦参的提取物抑制了茄子黄萎病菌菌丝生长,并随提取物浓度的增加抑制作用增强。在土壤中施入蛇床子、苦参提取物处理茄子苗后表现出一定的抗病效果,其中蛇床子处理的植株发病率最低。在土壤中添加蛇床子和苦参粉末,经腐解后,苦参处理的茄子植株株高、茎粗均高于对照处理,且二者处理后植株干物质含量高于对照。处理后茄子根际微生物中放线菌数量增加,真菌的数量变化差异不明显,细菌的数量相对减少,在初花期微生物的总量均高于初果期和定植期。     

大尺度区域生态环境治理及国家生态安全格局构建的技术途径和战略布局

陆地生态系统是地球生物圈系统的核心组分,是人类生活、生产及社会经济活动的场所.然而,人类文明发展和科学技术进步在不断地扩大对资源的利用规模和强度,也导致了严重威胁社会可持续发展的全球气候变化、生物多样性丧失、环境污染、资源枯竭、生态系统退化等环境问题.社会公众期望生态学研究能够为区域、大陆及全球尺度的生态系统的利用和保...     

代谢工程发展30年

代谢工程学科建立30年以来先后与分子生物学、系统生物学和合成生物学发生深度的交叉融合,并在此基础上获得了飞速发展,极大地促进了生物技术产业的进步和升级.文中首先基于SCI论文发表情况对30年来代谢工程学术研究现状和我国在该领域的地位和影响力进行了分析,随后总结了近10年来系统生物学方法和合成生物学的主要使能技术在代谢工...     

趋磁细菌生态学研究进展

趋磁细菌是一类革兰氏阴性的原核生物,广泛分布于淡水和海水环境中的有氧-无氧过渡区.趋磁细菌的分布与其环境中的氧、硫化物及铁等的浓度相关,不同种类分布在不同的物化梯度范围内.趋磁细菌的生长、磁小体的合成及磁小体的成分对环境有一定程度的指示作用.它们在生物地球化学循环中起着重要的作用.主要针对以上研究内容进行回顾,同时结合本实验室的一些研究结果做初步的分析,并对趋磁细菌生态学研究进行展望.     

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。     

若尔盖高寒湿地干湿土壤条件下微生物群落结构特征

土壤水分含量的空间异质性是引起湿地生态系统结构和功能空间变异的关键因素。目前有关低纬度高寒湿地土壤水分对微生物群落结构影响的研究较少。于2007年4月(冷季)和8月(暖季)采集若尔盖高寒湿地常年淹水和无淹水两种水分条件的土壤样品,利用磷脂脂肪酸方法分析其微生物群落结构。结果表明,土壤微生物总生物量、细菌生物量、革兰氏阳性细菌及革兰氏阴性细菌生物量均表现为常年淹水土壤高于无淹水土壤,且4月份高于8月份;与土壤通气量关系密切的真菌、放线菌,其生物量表现为无淹水土壤显著高于常年淹水土壤;反映群落组成的真菌:细菌磷脂脂肪酸比值也表现为无淹水土壤显著高于常年淹水土壤。磷脂脂肪酸的主成分分析表明,水分条件不同的两种土壤中微生物群落结构显著不同,季节变化并未引起土壤微生物群落结构的改变。     

土壤微生物生物量在团聚体中的分布以及耕作影响

了解土壤微生物在土壤结构体内部的分布对于预测相关的土壤生物化学过程具有重要意义。由于气候、土壤以及耕作的影响,该领域的研究结果存在很大的空间和时间变异,因此有待进行更多的在不同气候和土壤类型下的研究。首次报道亚热带紫色水稻土中微生物生物量在长期不同耕作方式的土壤中不同水稳性团聚体中的分布特征。结果表明微生物生物量在紫色水稻土水稳定性团聚体中的分布模式决定于土壤结构本身,而耕作方式的影响不显著;微生物生物量碳在不同粒级土壤团聚体中无显著性差异,微生物生物量氮与可溶性有机碳在0．25～0．053mm微团聚体中含量最高;垄作免耕显著提高土壤团聚体中的微生物生物量及可溶性有机碳含量,而对微生物生物量及可溶性有机碳在土壤团聚体中的分布模式无显著影响。     

不同氮效率水稻生育后期根表和根际土壤硝化特征

通过田间试验研究了不同氮效率粳稻品种4007(氮高效)和Elio(氮低效)生育后期在N0(0 kgN hm-2)、N180(180 kgN hm-2)和N300(300 kgN hm-2)水平下根表、根际和土体土壤pH值、铵态氮(NH+4-N)和硝态氮(NO-3-N)含量、硝化强度和氨氧化细菌(AOB)数量.结果表明无论是齐穗期、灌浆期还是成熟期,根表土壤pH值均显著低于根际和土体土壤.土壤pH值范围在5.95至6.84之间变化.土壤NH+4-N含量随水稻生长显著下降,且随施氮量增加而显著增加.根表土壤NH+4-N有明显亏缺区,且随距水稻根表距离增加,NH+4-N含量逐渐升高.土壤NO-3-N含量随水稻生长显著增加,施氮处理均显著高于不施氮处理,但N180和N300处理差异不显著.NO-3-N含量表现为根际>土体>根表.水稻根表和根际土壤硝化强度随水稻生长显著下降,而土体土壤硝化强度随时间延长小幅增加.施氮显著提高4007水稻根表土壤在齐穗和收获期硝化强度以及Elio在齐穗期根际硝化强度,但在施氮处理N180和N300中无显著差异.在整个采样期间,土壤硝化强度均表现为根际>根表>土体.水稻根表和根际AOB数量随水稻生长而显著降低,而土体土壤AOB数量无显著变化.例如,根表土壤AOB数量在齐穗期、灌浆期和收获期分别为16.7×105、8.77×105个g-1 dry soil和8.01×105个g-1 dry soil.根表和根际土壤AOB数量无显著差异,但二者显著高于土体土壤AOB数量.就两个氮效率水稻品种而言,土壤pH值基本无差异.4007土壤NH+4-N含量均显著高于Elio.在齐穗期水稻根表、根际和土体土壤NO-3-N含量在N180水平下均表现为Elio显著高于4007.而在灌浆期和收获期,水稻根表、根际和土体土壤则表现为4007显著高于Elio.在所有采样期,两个水稻品种土体土壤硝化强度和AOB数量在3个施氮量下均无显著差异.Elio根表和根际土壤硝化强度和AOB数量在水稻灌浆期之前一直显著高于4007,而在灌浆期之后则显著低于4007,且最终产量和氮素利用率(NUE)显著低于4007,这可能是由于4007灌浆期后硝化作用强,根际产生的NO-3-N含量高,从而4007根吸收NO-3-N的量也高造成的.因此水稻灌浆期和收获期根表和根际硝化作用以及AOB与水稻高产及氮素高效利用密切相关.