环境微生物基因组技术研究
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维普资讯 http://www.cqvip.com 12 生物学通报 2008年第43卷第2期 环境微生物基因组技术研究 孙 娜 李冬梅 牛佰慧。一 (1青岛市产品质量监督检验所 山东青岛 2青岛科技大学生物与制药一 程系 山东青岛 266042) 摘要 绝大多数微生物难以有效地进行人工培养,而且实验室工程菌几乎没有野生型功能.因此 限制了基于自然微生物多样性的生物技术的应用。为了把对生物群落的结构、功能和细菌在自然环境 中进化的认识应用到微生物工艺学中,微生物学家们正致力于把基因组学和相关的高通量技术应用到 微生物培养体系和环境样品中,而这必将增添对生态系统及其生物学功能的新见解并带动生物技术的 发展。从微生物鉴别及其基因功能的分析、确证和评价等方面综述了基因组技术在环境样品中的应用, 提出了现今面临的问题,同时也对环境基因组技术做了展望。 关键词 环境微生物 基因组学 宏基因组 中国图书分类号:Q346 文献标识码:A 了极其重要的地球化学循环,能够通过生物除污来缓 解环境变化,以及许多新功能可能有助于能量转化,催 虽然细菌及其病毒只是构成整个生态系统广泛 联系的生物的一部分,但是它们在数量上却占了多数。 它们的生活环境,生存和生长方式及其转化底物的多 样性决定了结构和功能的多样性。为适应环境变化以 及它们对新生境的侵入.微生物亚群的生长和死亡可 化和自然产物合成。高通量测序、DNA克隆和扩增技术 方面的进展,加上基因组学(genomies)这一有力工具, 使得无法培养的微生物群落的组成和动力学的全面 研究得以进行。宏基因组学(metagenomics)这一正在兴 能会导致当地生态平衡较大的变化,并且可能影响到 人类——其影响范围可从油质的腐败到新的致病菌 起的领域,发现了许多微生物的新性能,这些性能使 的引入及传播。微生物群体的有利方面包括:它们促成 得微生物能够在大范围的环境中相互合作和竞争以 度降低后进行涂抹。拟南芥等植物用农杆菌处理后可 以整株套袋,保证湿度防治菌液蒸发,但由于黄瓜植 3 Feldmann K.A.,Marks M.D..Agmbaeterium—mediated transformati一 of germ 砒 g ed of Arab_d P th aJi A“ uJm一 株过大同时处理的植株数量过多,不适于用此法保湿, 本研究在进行转化前于棚内浇水并喷施叶面肥料等 以增加空气湿度,延缓菌液的挥发,亦取得同样保湿 效果。 本研究中转化率偏低可能与筛选时使用抗生素 有关。确定卡那霉素筛选浓度时,在200 mg/L的浓度 范围内,浓度越高,转基因植株与非转基因植株的差 :l .G enlel。t ,i1。9 7G(.2. 08 )p:l1a- 9。A舯b 。 。di砒。d ge t fe y i 。 。f dult AIrab )ps thali plant . C。 pt R d A。 d Sci Pari ,1993(316):1194--1199. 5 Azpiroz Leehan R.,Feldmann K..a.T—DNA inseriton mutagenesis in A abidopsis:going back and forth.Trends Ge , (13): 52—156- S.S.,PaChan g.…rk:’ Ki r『l B’.c’ ・ abk.gen .? 一 Th。Pla t Jou‘rnal二5581994.5f41: 51,. ‘ 别越明显,但是卡那霉素会残留在植株体内,对转基 因植株造成伤害,影响后期移栽成活率,可能会在一 定程度上引起转化率降低:若将转化所用载体上的标7 Ri。h d 。 K.,Fowl。 s.,P 11 C. f a/.T—DNA t ggi g。f fl。 。一 ring—time gene and improved gene transfer by in planta transforma一 tion of A id0P i ・P “ P ysiol,1998(25):125一 0_ 记基因换成其他的报告基因,比如绿色荧光蛋白(gfp) 等,在不影响植株生长的情况下进行转基因植株的筛 选,可能有助于转化效率的提高,同时可以降低转基因植株筛选的工作量。 主要参考文献 1 王关林,方宏筠・植物基因T作原理与技术-北京:科学出版社,1998: ? “ A 0p h 唧 9 A th二y T.T.,st ph H.B.,I v.K. f .Tr fbnn ti。 。f M 一 dic go truncatu1 i iniflt ti。n。f 。 dli 。 floweif g plant ith Agrobacterium.The plant journal,2000,22(6):531--541. 10 Mi“g H “c ““g,Ming K““g Chen,Shu Mei P “tF pray ans nic Research,2ooo 9) :471--476. .rr‘ .00--60 ’ V 2 L abra M..Vannini C..Grassi F.et a/.Genomic stability in Arabidoo一 sis thallana transgenic plants。btained by f10ral dip. e。r Appl Ge‘(E :wangcuiyan 。。c。m-mail 7808@yah、 ’ 。 .cn李明刚 E—mail:mgl@nankai.edu.cn) (BH) net.2004.109:1512--1518. {国家支持计划2006BAC15B03 {{通讯作者 维普资讯 http://www.cqvip.com 2008年第43卷第2期 生物学通报 13 获得生存。对环境中细菌多样性的基因组学研究促进 了生态动力学的研究,生态系统新形式的演化和可用 于生物技术和生物医学的新功能的发现。本文探讨了 微生物生态学、环境和基因功能的统一。 1 微生物的鉴别 对微生物的鉴别有助于我们理解环境中生物组 成及其它们在地球化学循环上的地位。现在基因组技 术已经比较成熟,较之传统的显微和培养技术,它在 研究生物多样性上具有更多的优势。有人估计只有不 到1%的微生物种类可以在实验室条件下进行分离培 养。测序与从环境样品中鉴定DNA的其他技术极大 地扩展了微生物资源的利用空间,其在挖掘和利用那 些未能培养微生物的基因资源方面显示了强大的能 力,为最大限度地获取微生物资源并为人类服务带来 了前所未有的机遇。 种属标记基因一般产生于某些生物学过程(诸如 转录和翻译)中,极其有助于新微生物的鉴别和分类。 虽然保守的蛋白质编码基因能被用于鉴定细菌系,但 是最常用的种属标记基因是核糖体的RNA亚单位基 因,其中用的最为频繁的是小亚基(16S rRNA基因);很 多研究已经利用它们确证了环境样品中微生物类群 的存在和相对丰度。这些研究有的用PCR技术扩增 16S rRNA基因后再检测,有的测序后再进行16S rRNA 基因的计算鉴定。它的一个显著的优点是能够鉴定新的 种类和分支,从而有助于进一步的研究。例如,利用 16S rRNA基因的一个研究发现了一个新的分支,它是 数量最多的海洋游浮细菌群落中的一个分支,但是用 其他方法却检测不到。其中一个分支的后续培养和基 因组测序表明了它是比至今任何一个游离生存的细 菌的基因都少的新型基因组,这使人们认识到初步检 测研究在发现重要微生物方面的重要意义。 微生物群体结构的时间和空间研究也是非常重 要的,它能使群落组成的比较分析变得相对容易。鉴于 此,我们致力于寻找一些比测序更省力的方法.这些 方法能够捕及到环境样品中微生物的存在,且有助于 快速得到种群特征。例如一些方法在样品核糖体基因 中利用了原位杂交的荧光性,然而也有方法却用了微 阵列技术。在以往的方法中,只能在特定的试验中鉴定 少量的微生物种类,因为探针作用相同而且可以立刻 使用的荧光染料的数量非常有限。近年来探针的分离 已使更多微生物种类的鉴定成为可能,而且种类特异 性不断变化的探针也被用于微生物的快速鉴定和量 化。但是,探针技术的一个缺点就是只限于鉴定已知种 群,而不能探测到新的种群。一旦我们通过初步检测对 所期望存在的微生物有了更好的把握从而使合成传 统探针成为可能,这些方法就可能得到广泛应用。群体 结构的时间和空间研究是这个领域的一个重要的趋 势,这种基于探针的快速且相对便宜的方法在未来的 研究中将得到广泛的应用。 2基因功能的研究进展 基于种属标记的研究考察了环境中存在的微生 物,与之相比,环境样品的DNA测序通过对共有互补 基因的分析阐明了所包含的微生物的功能。近年来利 用“鸟枪法”环境测序的研究面临着困难,主要的问题 是拼凑碎片顺序来确证群落中各种类的基因组成,要 受到样品的复杂性、测序的全面性和片段自身长度的 影响。例如,对马尾藻海洋、土壤等的研究中采用的鸟 枪法拼凑出了成千上万的独特的种群,但是能够拼出 来的主要是已有序列基因组的种群。此外,虽然这些方 法适用范围较广,但最终每类种群的基因组测序还是 不全面的,再者由于大量菌株的变异,测序也不可能 是全面的。 考虑到环境鸟枪法测序中基因组组装的高成本 和复杂性,测序BAC(人工细菌染色体)文库达到研究 目的才是比较实际有效的。含有大插入片段的文库的 获得大大促进了克隆体的分类学鉴定,宏基因组DNA 序列组装,基因与有机体的联系和基因、有机体与环 境功能的联系。例如,哈勒姆等人测序了一种海洋沉积 物的fosmid文库,这个文库富含archaeal DNA,这证明 了没有培养的archaeal含有可以氧化甲烷的互补基 因:DeLong等人对从太平洋中分离出的微生物群落的 fosmid文库进行了测序 从而找到了微生物的多样性与 诸如营养物、盐度、温度等参数的联系。 尽管环境DNA序列提供了微生物的功能能力, 但这些孤立的数据却不能充分确证基因功能。个别细 菌基因组和宏基因组中大量保守和非保守基因的功 能仍然得不到确证。我们知道全面认识微生物就需要 详细阐述基因、微生物及环境之间复杂的相互作用和 动力学,然而日益提高的测序能力却不能系统地确证 基因功能,因此两者的矛盾也进一步激化。 基于微阵列的基因表达谱能对转录物丰度进行 定量评价,假设功能相关的基因其转录也相关,便可 用于预测基因功能了。在自然微生物群落中,微阵列技 术可用于通过基因组的不同表达谱来监控重要的基 因活性。但环境基因表达研究要想得到较好的重现性 也面临极大困难,例如,有效的RNA提取,样品背景 噪音的信号检测和交叉杂交。与大规模测序相比,基因 表达研究更加服从时间过程研究,更为重要的是它能 够追踪复杂的微生物群落在环境变化中的动力学。 评价基因功能的经典方法就是在给定条件下通 过基因插断鉴定哪些基因是我们需要的。一个直接应 用在环境中的诱变技术是个别突变体的标记。在这种 方法中,每个标签都是标记单一突变株的一段独特的 DNA序列。包围着这个标签的普通的PCR起始位点保 维普资讯 http://www.cqvip.com 14 生物学证突变株上的所有标签都能够扩增。每个突变株的相 对丰度通过标签与含有标签互补物的微阵列杂交来 评估。用这种方法,能够鉴定所有不能存活下来的混合 突变株。对于环境研究,标记突变法的主要优点是标记 信号能够进行PCR扩增,并能用微阵列定量化而不需 要培养混合的突变株。这些试验能够鉴定出在自然环 境中生存所需要的基因。Groh等人在金属还原细菌脱 硫弧菌属中应用了这一标记突变法。用通常的微阵列 技术分析了60个标记的突变株群在一个人工无氧沉 淀物环境中的存活率。基因组序列的测定使得越来越 多的微生物能够被培养,因此突变标记法将会越来越 多地得到应用。 3应用与挑战 从分离用于编码新功能的基因到利用工程微生 物清除环境污染物都可以用到基因组技术。许多企业 和学术团体已经从各种各样的环境资源中(例如土壤 和海水中)构建了环境微生物的DNA文库,从而鉴定 具有特定功能的基因,例如抗生素抗性基因和编码特 定酶活性的基因,或者用于进一步研究所感兴趣的蛋 白质。但还存在一些问题,如:在代理宿主中表达异源 的DNA。用PCR技术鉴定克隆的不完全同源性,以及 对稀有的“采样数”成千上万个克隆筛选极其复杂。 底物诱导基因表达筛选技术fSIGEX)是一种高通 量筛选方法,它能够在一个标准的宏基因组文库里,从 数千个克隆里快速筛选出只有底物存在时才表达的 代谢基因。首先用载体构建环境微生物基因组文库,再 运用IPTG,分离自行连接和连接有外源基因的克隆, 然后在底物的诱导下表达环境微生物基因组DNA中 由 基因编码的分解代谢特性,最后用荧光激活细 胞分选技术分离 表达克隆。 在生物除污法治理环境过程中,如何培养微生物 是环境生物技术中一项严峻的课题。首先,培养微生物 的实验室条件和微生物生存的原环境之间存在着很 大差异。所以。经过遗传修饰细菌在自然环境中很少表 达其功能也不足为奇了。那么我们应怎样解决实验室 和环境的差异,怎样设计实验使之足够接近自然条件 呢?解决办法就是采用系统生物学方法测试应激反 应,调节系统和诸如生物除污等生物活性所需要的重 要基因。这个方法的关键是把基因表达、蛋白质组学、 生理学、突变表型和代谢数据整合到能精确预测特定 情况下微生物反应的细胞模型中。这就要发展计算资 源和基础设施,把数据存储和整合与相关的测试模型 联系起来。 4前景与展望 环境微生物学中以基因组为基础的分析正处于 发展初期。自然微生物的多样性在生物技术上有巨大 的应用价值,但我们还将长期面临着如下的困难:把实 通报 2008年第43卷第2期 验技术应用到环境当中,对复杂的数据进行分析,把生 物地化循环和相关的微生物联系起来。当前,因为环境 基因组技术极其复杂且成本很高.一些项目常常需要 许多研究团体共同合作才能完成。但是,我们相信未来 技术创新会使DNA测序和其他技术的成本降低。而 且单个研究人员也可以研究大规模宏基因组学。 环境微生物学的发展开始从上面的问题上升到 对遗传多样性的产生和维持,环境变化对微生物进化 的影响等更高层次问题的研究。对病毒、质粒和平行转 移基因在群落内及群落间转移及功能的分析研究将 有助于这些问题的解决。从对整个微生物的比较研究 和环境样品的序列研究中,我们知道基因的平行转移 在群落内功能能力的扩展和微生物对环境变化的适 应上都起到了非常大的作用。此外,除了细菌,噬菌体 也可能在微生物之间传递有用的遗传成分,或许还可 以促进新功能的进化。所以,病毒的宏基因组研究是微 生物群落的基因组研究的一个重要的补充。相信对微 生物进化机制的认识将有助于我们全面理解复杂的 动态群落中微生物的多样性。 主要参考文献 1 Kaeberlein T..Lewis K..Epstein S.S..Isolating‘uncuhivable’microor— ganisms in pure culture in a simulated natural environment.Science, 2002.296:1127—1129. 2 Santos S.R.,Ochman H..Identification and phylogenetic sorting of bacterial lineages with universally conserved genes and proteins.En- viron Microbio1.2004.6:754—759. 3 Moms R.M..Rappe M.S. 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