水体宏基因组学研究进展及应用

微生物是水体生态系统中不可或缺的一环,占生物基因资源的绝大多数。目前传统的微生物研究手段只能培养0.1%-1%的环境微生物,无法整体分析水体微生物群落的构成和功能,形成了水体治理研究的瓶颈。近年来,不依赖于培养的微生物研究手段即宏基因组学的出现为解决这一难题提供了新方法。一方面宏基因组学技术可以用于研究水体的生物多样性、微生物系统中的物质代谢历程这些为研究水体污染的治理提供了可能;另一方面,用宏基因组学方法从水体中发现新型微生物来源酶具有极高的应用价值。虽然宏基因组学仍存在一些问题和不足之处,但是近年来也取得了巨大的成就,该文综述了宏基因组学的概念、方法、问题和水体宏基因组学研究进展。     

互花米草入侵下红树林土壤微生物群落特征

为了探索互花米草入侵下的红树林土壤微生物的群落特征,运用Biolog微平板技术对闽江河口湿地红树林和互花米草根际的土壤微生物的碳源代谢能力和功能多样性进行了分析,探讨了互花米草根际土壤微生物与红树林植物的差异。结果表明:红树林-互花米草混交区域(MS)的土壤微生物功能多样性和丰富度都要高于红树林群落(MC)和互花米草群落(SC)。Biolog微平板上的平均颜色变化率(AWCD)值整体呈现出随着培养时间的增加而增长的趋势,不同类型的植物变化曲线不同。聚合物类是各植被类型土壤微生物的主要碳源,酚酸类利用率最低。在土壤微生物的Simpson指数、Shannon指数和Richness指数中MS显示出最高,表明其土壤微生物多样性最为丰富。主成分分析表明,31个因素中与碳源利用相关的两大主成分,主成分1(PC1)和主成分2(PC2)分别可以解释变量方差的77.7%和22.2%,酚酸类和胺类在主成分分离中起主要的贡献作用。研究表明,不同植被类型其根系土壤微生物碳源代谢能力不同,MS的土壤微生物功能多样性最为丰富。     

土壤微生物的宏基因组学及其研究进展

土壤宏基因组学技术是近来发展比较迅速的一种新方法,是研究土壤微生物生态学的基础,也是获是土壤中各种基因资源的一种有效手段。介绍了土壤宏基因文库的构建、筛选及土壤宏基因组研究现状和这一技术的局限性。     

宏基因组学的研究进展

宏基因组学尝试通过免培方法获得微生物的纯培养,主要技术包括DNA的提取、文库的构建和目标基因克隆的筛选,可用于发现新基因、开发新的生物活性物质、研究群落中微生物多样性等方面。笔者对宏基因组学技术的方法和应用作了简要综述。     

淡水驯化条件下红树植物根际土壤微生物群落结构特征

【目的】探讨红树植物在淡水环境中土壤微生态变化,评价红树植物适应性,为红树林在淡水区域引种和推广提供理论基础。【方法】采用Biolog-ECO微平板技术和磷脂脂肪酸标记法(PLFA),探讨淡水驯化条件下红海榄(Rs)、白骨壤(Am)、拉关木(Lr)、秋茄(Kc)、桐花树(Ac)5种不同红树植物根际土壤微生物群落结构特征,揭示红树林根际土壤微生物群落结构对淡水胁迫的响应规律。【结果】研究结果表明:5种红树植物土壤理化性质差异显著;代表微生物整体代谢活性的平均颜色变化率(AWCD)由高到低顺序为AmKcAcRsLr,Am土壤微生物代谢活性最强;5种红树植物根际土壤微生物利用碳源类型最多为多聚物;而采用PLFA分析微生物群落结构,5种红树植物共检测到17种PLFA生物标记,16∶0含量最高,Am土壤总PLFA含量显著高于其他4种红树植物;土壤特征微生物分布量最大是细菌;主成分分析表明Lr、Am位于同一主成分,与Biolog研究结果类似。【结论】淡水驯化条件下红树植物土壤质量明显优于无红树林裸滩(CK),5种红树植物根际土壤微生物群落结构存在差异,多聚物是根际土壤微生物的主要利用碳源。表征细菌的生物标记含量最多,在根际土壤微生物中起主导作用的依然是细菌。     

应用DGGE技术分析自然免耕土与普通耕作土细菌群落的多样性

为探明免耕土壤与普通耕作土壤环境中细菌群落的多样性,获取相关优势菌落信息,该研究利用宏基因组学方法获得免耕土和普通耕作土样品总DNA,利用PCR获得16SrDNAV3片段,并进行变性梯度凝胶电泳(Denaturation gradient gel electrophoresis),通过微生物种群丰富度比较两样品中群落的丰富性,同时选取相关DNA条带进行克隆、测序和生物信息学分析.结果显示:免耕土壤中细菌群落多样性更加丰富;两类型土壤样品间细菌群落组成具有显著差异,证明耕作制度影响了土壤细菌群落结构.BLAST分析与系统发生分析结果表明,免耕土壤中特异存在的细菌群落与具有生物固氮、降解甲苯和倍硫磷等特性的细菌序列相似性较高或进化关系较近,推测其在免耕土壤肥力、有毒物质降解及有机质转变等过程中起作用.     

宏基因组学——研究环境微生物的钥匙

介绍了宏基因组学的发展概况、基本研究方法和在微生物研究中的应用,并对该学科的发展前景进行了展望。     

微生物宏基因组学及其在瘤胃微生物研究中的应用

宏基因组学可以在非实验室纯培养的条件下直接获取环境微生物DNA,并对其基因组进行分析,将其克隆到合适的载体上,筛选所需要功能基因。就微生物宏基因组学及其在瘤胃微生物研究中的应用作一综述。     

西北高海拔地区放养偶蹄类动物肠道微生物多样性的宏基因组比较研究

[目的]分析西北高海拔地区偶蹄类动物肠道的微生物多样性。[方法]从动物粪便样品中提取全部微生物的DNA,利用宏基因组学方法,通过高通量测序及生物信息学分析对肠道微生物多样性及群落功能进行比较。[结果]在相似的地理环境下,不同物种偶蹄类动物的肠道微生物多样性存在高度的相似性,暗示着生存环境对动物肠道微生物的多样性发挥着重要影响。[结论]该研究初步阐明了西北地区高海拔环境下不同种类动物的肠道微生物多样性,为进一步了解高原环境中微生物的构成提供了重要参考。     

养猪发酵床微生物宏基因组基本分析方法

养猪微生物发酵床分解猪粪、消除恶臭,将猪粪形成生物菌肥,实现了养猪污染的微生物治理和猪粪的资源化利用,微生物起到关键作用。然而,关于发酵床微生物群落的种类、数量、结构等方面系统研究鲜见报道。课题组采用高通量宏基因组学方法,系统地开展了微生物发酵床的微生物组研究,揭示不同空间、不同深度、不同发酵程度、不同垫料组成、不同季节发酵床中的微生物组成及其区系演替规律。本文就相关的宏基因组测序的样本采集、样本处理、测序原理、分析模型、数据统计、结果表述等分析流程和方法进行了归纳,阐明微生物组操作分类单元(OTU)鉴定,物种累积曲线,核心微生物组,种类丰度主成分分析,种类秩-多度曲线,物种组成丰度柱状图、热图、星图等分析的原理与方法,列举微生物组种类复杂度α-多样性分析、β-多样性分析、种类显著性差异LEfSe分析,冗余分析等实例,为深入研究发酵床微生物群落提供了完整的分析思路和范例。     

不同尿素含量培养条件下复合菌系GF-20菌种组成及功能差异

为明确复合菌系GF-20在不同尿素含量培养条件下的菌种组成及功能差异,提高复合菌系的应用性及适用性,以复合菌系GF-20为研究对象,采用16S rDNA扩增子测序技术研究其菌种组成及代谢通路丰度。结果表明:不同尿素含量培养条件下复合菌系菌种组成较为相似,主要由纤维素弧菌属、黄杆菌属、纤维单胞菌属、假单胞菌属和无色杆菌属等功能菌组成,但其丰度存在显著差异。在N2条件下,复合菌系的alpha多样性指数较其他处理高,其物种组成更加丰富和多样。不同处理复合菌均注释到较多的碳水化合物代谢和氨基酸代谢;对N1(硫酸铵氮源)和N6(尿素氮源)处理间碳水化合物代谢通路注释丰度差异比较发现,戊糖和葡萄糖醛酸酯的相互转化、磷酸戊糖途径、半乳糖代谢、果糖和甘露糖代谢、氨基糖和核苷酸糖代谢、淀粉和蔗糖代谢和抗坏血酸盐和藻酸盐代谢等代谢通路丰度呈N1显著高于N6。综上所述,复合菌系GF-20在不同尿素含量培养条件下具有良好的菌种组成及功能稳定性,可适用于原位秸秆还田实践,促进北方高寒地区玉米秸秆降解速率。     

厦门凤林红树林区土壤可培养微生物数量及细菌类群初探

主要探讨了厦门凤林湾秋茄林（Kandelia candel）土壤、秋茄与无瓣海桑（Sonnerratia apetala）混合林土壤与无红树植物生长的对照光滩土壤中3大微生物类群及其数量.实验结果表明：3种土样的微生物中,细菌占有绝对优势,占总菌数的99%以上;秋茄林土样和混合林土样中的细菌和丝状真菌数量明显高于光滩土样,而放线菌数量却低于光滩土样;初步筛选鉴定出秋茄纯林土样中细菌菌种主要是微球菌属（Micrococcus）、异常球菌属（Deinococcus）和芽孢杆菌属（Bacillus）,混合土样中细菌菌种主要为异常球菌属和芽孢杆菌属,而从对照光滩土样中分离纯化出的2株菌初步鉴定为微球菌属和不确定菌属（Uncertainty genus）.     

不同土壤微生物量碳与有机碳矿化的关系研究

采集洞庭湖区稻田土壤、林地土壤和荒地土壤,在实验室进行培养试验,分析3种不同利用方式下的土壤微生物量碳含量与有机碳矿化的关系。通过试验分析得到:3种土壤的微生物量碳含量随着土层的加深而减少,土壤中微生物量碳含量由高到低为稻田土壤﹥林地土壤﹥荒地土壤,3种土样中微生物量碳含量和有机碳含量的正相关关系均达到显著水平。在矿化培养试验中,荒地土壤在培养后28 d微生物量碳含量达到最大值,而稻田土壤和林地土壤在培养后21 d到达最大值,之后随着试验的进行土壤中微生物量碳含量而减少。3种不同利用方式的土壤在随着培养时间的进行,有机碳的矿化速率出现了下降的趋势;不同利用方式土壤的有机碳矿化量与培养前土壤微生物量呈极显著正相关。     

Deciphering the rhizosphere microbiome for disease-suppressive bacteria

Disease-suppressive soils are exceptional ecosystems in which crop plants suffer less from specific soil-borne pathogens than expected owing to the activities of other soil microorganisms. For most disease-suppressive soils, the microbes and mechanisms involved in pathogen control are unknown. By coupling PhyloChip-based metagenomics of the rhizosphere microbiome with culture-dependent functional analyses, we identified key bacterial taxa and genes involved in suppression of a fungal root pathogen. More than 33,000 bacterial and archaeal species were detected, with Proteobacteria, Firmicutes, and Actinobacteria consistently associated with disease suppression. Members of the γ-Proteobacteria were shown to have disease-suppressive activity governed by nonribosomal peptide synthetases. Our data indicate that upon attack by a fungal root pathogen, plants can exploit microbial consortia from soil for protection against infections.     

威廉环毛蚓耕作时间对菜田土壤微生物群落多样性及碳代谢特征的影响

通过在上海崇明岛菜田设置的定位试验,采用Biolog生态板法研究生物耕作时间对不同深度土层中土壤微生物群落多样性及其碳代谢特征的影响。3年的结果表明:生物耕作显著提高了微生物群落活性,且随着耕作年限的延长增加值越高,生物耕作3年可使平均AWCD值升高3~7倍。生物耕作处理Simpson指数和Shannon指数均显著高于免耕对照,在0~5 cm土层累积增幅分别为49和6.28,5~20 cm土层累积增幅分别为31和2.55。蚯蚓生物耕作显著增加土壤微生物对6类碳源的代谢能力,耕作3年碳水化合物代谢活性大幅增加。本研究说明蚯蚓生物耕作是增加土壤微生物代谢活性的有效途径。     

秸秆还田对烤烟根际微生物种群数量的影响

为了改善土壤质量,提高烟叶品质,探讨秸秆还田对植烟土壤根际微生物的影响,对麦秆还田、稻秆还田、无秸秆还田进行了比较试验。利用选择培养基,以麦秆还田、稻秆还田的植烟土壤为对象,无秸秆还田植烟土壤作为对照,对烟草根际微生物（主要是细菌、真菌、放线菌）进行了分离和测数。结果表明,秸秆还田能明显的增加植烟土壤根际微生物的数量。还田的秸秆种类不同,根际不同的微生物数量变化不一样。总体来说,麦秆还田的植烟土壤根际细菌和放线菌数量最多,稻秆还田的植烟土壤根际细菌和放线菌数量次之,空白对照组的植烟土壤根际细菌和放线菌数量最少。根际真菌的数量,空白对照组的土壤中最多,麦秆还田的次之,稻秆还田的真菌数量最少。从不同秸秆还田的植烟土壤中分离的根际自生固氮菌、磷细菌、钾细菌以革兰氏阴性杆菌为主,分别属于10个属,不同秸秆还田条件对根际3类细菌的种类和数量都有影响。     

土壤电动修复中电极切换对土壤微生物群落的影响

通过细菌计数和Biolog方法,研究了在3.0 V·cm-1的电压梯度下,不同电场切换周期(24 h、5 h、10min和1 min)对土壤微生物群落的影响.结果表明,电压梯度为3.0 V·cm-1的电场作用能够促进土壤微生物的活性,但会轻微地降低土壤微生物功能多样性,电场切换不能改变这种电场对微生物群落的影响;长时间的电场处理下,电极反应对微生物数量和功能多样性损害严重,切换电场电极能有效消除电极效应,电场电极切换周期≤5 h时,可保护电极附近土壤微生物多样性,当切换周期≤10min时,不仅可保护土壤微生物多样性,而且可以保护微生物数量.研究结果说明了电场电极切换能有效降低电极反应对微生物群落的影响,揭示了电场电极切换对土壤微生物群落影响的规律,为电场电极切换方法在污染土壤电动强化生物修复技术中的深化和应用提供理论依据.     

不同地点的三种红树共附生微生物分离及生物活性差异的研究

[目的]探索红树共附生微生物及其生物活性在不同地点的差异。[方法]从海南文昌、广东深圳与湛江3个红树林区采集红树木榄、桐花与白骨壤3个品种的根与叶作样品,对样品分别进行微生物分离与抗金黄色葡萄球菌、抗白色念珠菌及B16细胞毒活性的测定。[结果]从18份红树样品中共分离出211株细菌、真菌和放线菌。不同采样地点的微生物组成、不同地点所分离到的菌株的生物活性差异极显著3、个品种的红树以及红树的根在3个不同地点的微生物的生物活性差异均极显著,而红树叶在3个不同地点分离到的微生物的生物活性差异不显著。[结论]该研究获得了一些具有生物活性的菌株,为通过微生物方法获得具有药物作用的化合物提供了可能性。     

不同退化程度高寒草地土壤微生物量碳特征分析

为了探讨不同退化程度高寒草地土壤微生物量碳分布变化规律,在具有典型退化特征的高寒草甸与高寒草原研究样地开展野外调查,采集土壤样品,进行室内土壤微生物量碳等指标的测定。结果表明,不同退化程度草地间土壤微生物量碳含量达极显著差异(P0.01),土壤微生物量碳含量随高寒草地退化加剧呈降低趋势,高寒草甸草地与高寒草原草地土壤微生物量碳含量在轻度至极度退化程度下存在极显著差异(P0.01),高寒草甸草地土壤微生物量碳含量为249.18~359.32mg/kg、高寒草原草地为243.11~326.44mg/kg。各退化程度下,土壤微生物量碳不同土层间均达极显著差异(P0.01),呈0~10cm10~20cm20~30cm的变化趋势,土壤微生物量碳含量0~10cm土层较20~30cm下降速度更快,高寒草甸草地各土层微生物量碳含量均高于高寒草原草地。高寒生态条件下,草地退化对土壤微生物量碳具有较为明显的影响。     

不同生物肥处理土壤微生物量对温度、水分条件的响应

为探讨不同生物肥处理土壤微生物量碳、氮(C、N)对温度、水分条件的响应,以山东鲁青青菜为供试材料,通过室内培养试验,以单施有机肥为对照,研究3种不同生物肥(中和牌、NST型及爸爱我)配合有机肥处理在温度25℃、35℃,水分45%、60%、75%、90%下对土壤中微生物量C、N含量的影响。结果表明,单施有机肥,土壤微生物量C、N在25℃,田间持水量75%培养时最大;中和牌生物肥与有机肥配施处理在25℃,田间持水量60%培养时最佳;NST型生物肥与有机肥配施处理在25℃,田间持水量60%时最佳;爸爱我生物肥与有机肥配施处理对温度、水分的适宜性较强,其最佳培养条件为温度25℃,田间持水量60%或75%。不同生物肥处理对温度、水分的响应具有一定的差异性。