Science&Technology Vision 科技视界 科技・探索・争鸣 高通量测序在环境微生物学中的应用 杜姗,杨唐 赵英杰z (1.中国海洋大学环境科学与工程学院,山东青岛266100; 2.青岛理工大学环境与市政工程学院。山东青岛266033) 【摘要】微生物群落是生态系统中最活跃的结构单位和功能单位,因此了解各种环境中微生物的群落结构有着重要的意义,其研究的技 术也一直在进步。高通量测序可以一次获得多条基因序列,使得其在环境微生物学中的研究中倍受青睐。探讨了454高通量测序早在环境微生 物学中的应用。 【关键词】高通量测序;环境微生物;微生物群落结构 微生物群落是广泛存在于生态系统中的一种结构单位和功能单 位.它们是生态系统内较为活泼的一部分。群落中各种不同的种群能 以有规律的方式共处.进行相互作用,同时它们具有各自明显的营养 和代谢类型 了解微生物群落结构的方法主要有分子生物学的方法、 Biolog法以及近年来发展起来的高通量测序技术。 1 高通置测序技术 随着科技的迅猛发展.测序技术也在进步.这些测序技术可以在 种的水平上对环境微生物进行分析和研究 出现在上世界70年代的 sanger测序法I”,成本高测序通量低,成为了其广泛使用的因素, 但它却是2O世纪9O年代到本世纪初期一直在使用的测序技术。 人类基因组这样庞大的序列分析工作需要.使得新一代的测序技 术也发展了起来。它的特点是价格低通量高,高通量则指的是每次分 析都能得到几十万或几百万条DNA的序列 454高通量测序是由454 生命科学公司在了2005年开发的.2007年.该公司发布了GS FLX系 统.2008年发布了它的升级GS FLX Titaniam 现在新测序技术的主要平台主要有口:罗氏454公司推出的GS FLx+ svstem测序平台,Illumina公司推出的MiSeq测序平台,和ABI公司的Solid 测序平台等。本研究使用的是454高通量测序技术。 454高通量测序原理131:它采用的是焦磷酸测序法.是4种酶催化 统一体系的酶级联化学发光反应 首先将PCR扩增的单链DNA与引 3结论 物杂交.并与DNA聚合酶、ArrP硫酸化酶、荧光素酶、三磷酸腺苷双磷 酸酶、底物荧光素酶和5"-磷酸硫酸腺苷共同孵育 在每一轮测序反应 目前.高通量测序技术仍处于发展的初期,但我们可以预见,在未 中只加入一种dNTP.若该dNTP与模板配对.聚合酶就可以将其掺人 来几年将是第三代测序技术快速发展和三种测序技术的共存的黄金 到引物链中并释放出等摩尔数的焦磷酸 焦磷酸盐被硫酸化酶转化为 时代 测序成本将继续迅速下降 科学家们在不同的领域将可以花更 ATP.ATP就会促使氧合荧光素的合成并释放可见光 CCD检测后通 少的钱测序基因组物种或转录来达到更好的实验结果和获得更多的 过软件转化为一个峰值.峰值与反应中掺人的核苷酸数目成正比。 新的发现 此外.如何分析通过高通量测序产生的大量数据和从这些 扩增和测序可以高度保留细菌的遗传特性.是一种很常见的来确 数据中提取有价值的生物信息将成为未来研究的热点和重点。● 定其分类和组成的方法 通过比较现有的数据库.可确定其来自哪个 生物的序列.从而确定细菌门类和各自占据的比例 【参考文献】 Michaela等151人利用高通量测序技术研究了森林凋谢物和土壤中 微生物的细菌和真菌群落结构.对28个站点的样品进行分析.发现凋 落物和土壤中存在着不同的微生物群落结构。其中.细菌的多样性要 比真菌丰富.尤其是在凋谢物中.细菌群落表现出了更高的均匀度。无 论是凋谢物还是土壤中的微生物群落结构.都显著受到了树种的影 响。 李鑫等 7运用高通量测序技术分析了盐碱地中.桑树与大豆单作 和间作不同种植模式的土壤细菌微生物群落结构差异性。结果显示, 间作时土壤的微生物多样性要比单作丰富.即间作使得土壤的微生物 群落结构多样性有所提高 同时间作也改变了大豆和桑树的根基微生 物群落结构 在盐碱地的种植中.间作不仅可以降低土壤碱性,还使得 土壤的群落结构多样性有所提高.植物产量增加。 夏围围等f 将新一代高通量测序技术与DGGE两种技术结合使用 到了研究是新西兰典型草地和森林土壤微生物群落结构上.以16S rRNA基因为标靶。通过两种技术来分析土壤微生物群落的结构组成 和多样性.同时以此来比较两种技术的优缺点。测序分析结果显示,新 西兰草地土壤检测到22门,54纲,60目,13l科和350属;而DGGE 却只检测到6门,9纲,8目.10科。10属,这表明了高通量测序比 DGGE能更完整的表达出微生物的群落结构组成 同样的.在森林土 壤也显示出了类似的规律 2高通量测序技术在环境微生物中的应用 [1]Sanger F,Nieklen S,Coulson AR.Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of Ameriea[J1.1977.74:5463—5467. 2]Quail MA,Kozarewa I,Smith F,Seally A,StephensPJ,Durbin R,Swerdlow H,Turner 454高通量测序可以得出某个土壤区域或者生物膜中各种菌类 [DJ.Nature Methods[J].2008.5:1005—1010. 组成.从而研究该区域微生物物种多样性:通过测序可以得到微生物 [3]Meyer M,Stenzel U,Hofreiter M.Nature Protocols[J].2008,3:267-278 的群落结构、组成,再与微生物活性、营养元素的转化等理化性质结合 一『4]张彩霞.新一代高通量测序技术研究土壤微生物群落结构对环境条件的影响 起分析.来研究微生物的功能多样性 fD1.南京:南京农业大学,2012. 张彩霞I 眸运用454高通量测序来研究甘肃不同地区的土壤由荒 [5]李鑫.苏打盐碱地桑树/大豆问作的土壤微生物多样性研究『D1.哈尔滨:东北林 业大学.2012. 漠变成百年老农田、约3O年的农田、约20年的农田、樟子松林等过程 中土壤微生物群落结构变化规律及其影响因素.对比对照组的土壤发 现,在由天然荒漠土壤转变成为不同利用类型的土地土壤过程中.具 有从多变少再变多的趋势。在天然荒漠土壤中.微生物总量的96%以 上,在土壤转变的过程中其生长受到了抑制.有4%的微生物在次过程 中生长受到了促进 这个结果表明了土壤的微生物群落结构会受到土 地利用类型变化的显著影响 [6]夏围围,贾仲军高通量测序和DGGE分析土壤微生物群落的技术评价fJ1. 2014.12:1489—1499. [7]Kailong Huang,Xu—Xiang Zhang n,Peng Shi.Ecotoxicology and Environmental Safety[J].2014.109:15—21. [责任编辑:邓丽丽] 作者简介:杜姗(199【卜-],女,硕士研究生,研究方向为水资源利用与水污染控制。 Science&Technology Vision科技视界I 1 31