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    土壤微生物檢測(cè)多樣性研究中存在的問題

    發(fā)布時(shí)間: 2017-09-21  點(diǎn)擊次數(shù): 2842次
    土壤微生物檢測(cè)針對(duì)土壤微生物,以往的研究大多聚焦于土壤微生物組成和多樣性的空間分異,而對(duì)土壤微生物組成和多樣性在時(shí)間尺度上的動(dòng)態(tài)變化研究較少。人們觀測(cè)到很多微生物介導(dǎo)的生物地球化學(xué)過程均顯示出季節(jié)性的動(dòng)態(tài)變化,如溫室氣體排放通量。然而,這些過程與微生物群落組成和多樣性動(dòng)態(tài)變化的關(guān)系尚不清楚。在為數(shù)不多的一些有關(guān)土壤微生物群落動(dòng)態(tài)變化研究中,人們利用時(shí)間序列分析和高通量測(cè)序技術(shù)發(fā)現(xiàn),一些生態(tài)系統(tǒng)中土壤微生物群落組成和多樣性也表現(xiàn)出明顯的動(dòng)態(tài)變化,動(dòng)態(tài)變化的模式因不同生態(tài)系統(tǒng)而有差異。揭示這種動(dòng)態(tài)變化的規(guī)律及其驅(qū)動(dòng)機(jī)制,可以使我們深入認(rèn)識(shí)微生物群落的演替規(guī)律及其對(duì)生態(tài)系統(tǒng)功能的影響,以揭示群落穩(wěn)定性與生物多樣性的關(guān)系,預(yù)測(cè)微生物群落對(duì)氣候變化、土地利用等擾動(dòng)的響應(yīng)。為了闡明這些科學(xué)問題,需要在不同生態(tài)系統(tǒng)中對(duì)土壤微生物類群和基因組進(jìn)行長(zhǎng)期、定點(diǎn)、動(dòng)態(tài)的監(jiān)測(cè);同時(shí)結(jié)合其他生態(tài)過程監(jiān)測(cè),如生物地球化學(xué)過程、植被演替等,以便獲得系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。
    zui近十余年來,上開展了一些微生物組計(jì)劃,這些計(jì)劃主要研究人體腸道微生物,如美國(guó)人體微生物組計(jì)劃,加拿大微生物組研究項(xiàng)目,以及歐盟和中國(guó)的MetaHIT項(xiàng)目等,尚缺乏專門針對(duì)土壤微生物組的研究計(jì)劃。當(dāng)前進(jìn)行的微生物組計(jì)劃沒有能夠很好地合作,研究方法也不統(tǒng)一,雖然各研究計(jì)劃都產(chǎn)生了大量數(shù)據(jù),但很難對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行整合。如利用16SrRNA基因鑒定微生物群落組成時(shí),由于擴(kuò)增16SrRNA基因的引物不同,zui終獲得的數(shù)據(jù)差異很大。另外,由于生物信息處理序列數(shù)據(jù)時(shí)選擇的方法不同,估算微生物物種數(shù)量時(shí)可以差2–3個(gè)數(shù)量級(jí)。因此,對(duì)微生物多樣性監(jiān)測(cè)工作而言,標(biāo)準(zhǔn)化的研究流程和研究方法對(duì)于數(shù)據(jù)的可比性非常重要。然而,每種研究方法均有其局限性,過分追求標(biāo)準(zhǔn)化也不利于創(chuàng)新。如用常用的16SrRNA引物515F/806R調(diào)查土壤微生物組成時(shí),可能會(huì)漏掉一些*的菌群。在第三代單分子測(cè)序技術(shù)的應(yīng)用中,在對(duì)測(cè)序數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時(shí),進(jìn)行OTUs(可操作分類單元)分類是關(guān)鍵的一步,目前雖然有很多計(jì)算方法,但沒有一種方法適用于所有的情況,所以要根據(jù)研究問題、數(shù)據(jù)情況和計(jì)算能力來選擇。
    對(duì)于土壤微生物檢測(cè)多樣性監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)研究工作很少,可以借鑒的經(jīng)驗(yàn)和標(biāo)準(zhǔn)方法不多。美國(guó)科學(xué)家發(fā)起的地球微生物組計(jì)劃,目的是為了在尺度上收集各種生態(tài)系統(tǒng)中微生物群落組成和分布的數(shù)據(jù),分析微生物群落的分布、多樣性及形成機(jī)制。項(xiàng)目組織者也建議了一些標(biāo)準(zhǔn)化的方法,涉及實(shí)驗(yàn)室技術(shù)和數(shù)據(jù)處理流程等,如土壤基因組DNA提取建議用MoBio公司生產(chǎn)的PowerSoilDNAisolationkit。該試劑盒采用的方法能有效地去除土壤中的PCR抑制物,可重復(fù)性強(qiáng),但價(jià)格較高。PCR擴(kuò)增16SrRNA基因建議用515F/806R,利用Illumina公司的Miseq或Hiseq平臺(tái)測(cè)序;18SrRNA基因的擴(kuò)增推薦用Euk_1391f和EukBr,擴(kuò)增子序列的處理推薦用QIIME平臺(tái)。該項(xiàng)目還對(duì)如何提供與樣品對(duì)應(yīng)的宏數(shù)據(jù)也進(jìn)行了一定的規(guī)范。但是,該項(xiàng)目沒有對(duì)野外取樣過程和土壤微生物動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的方法提出建議。這種人為設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)方法和流程還存在一些問題。筆者認(rèn)為,在土壤微生物多樣性監(jiān)測(cè)方法的選擇上,要根據(jù)不同的研究目的制定出多套研究方案,同時(shí)及時(shí)采用新的技術(shù)手段,鼓勵(lì)探索新的方法。
    土壤微生物檢測(cè)多樣性監(jiān)測(cè)將產(chǎn)生大量數(shù)據(jù),加上已經(jīng)發(fā)表的數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)的管理、查詢和挖掘亟需建立大數(shù)據(jù)平臺(tái),然而至今尚沒有系統(tǒng)的土壤微生物多樣性的數(shù)據(jù)集和專業(yè)數(shù)據(jù)庫。如何實(shí)現(xiàn)微生物多樣性監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的共享,涉及到很多具體問題需要解決,如數(shù)據(jù)整合和共享方式、數(shù)據(jù)庫運(yùn)行支撐體系、知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)問題等等。
    另一方面,為了研究一個(gè)物種的生理、生化特征及工業(yè)應(yīng)用,分離純化功能微生物是非常重要的。至今,環(huán)境中的大多數(shù)微生物物種還不能在實(shí)驗(yàn)室中被分離培養(yǎng)出來,這是當(dāng)前土壤微生物多樣性研究中存在的一個(gè)大問題,因此,傳統(tǒng)分離培養(yǎng)方法的改進(jìn)也是土壤微生物多樣性研究的重要課題。利用監(jiān)測(cè)獲得的數(shù)據(jù)可以得到物種的分類信息,把要分離的物種與已分離菌種的生長(zhǎng)條件進(jìn)行比較,通過查詢已知培養(yǎng)基數(shù)據(jù)庫(如KOMODO),可以為分離新菌種推薦培養(yǎng)基和培養(yǎng)條件。而一株重要功能微生物的獲得,可以對(duì)人類社會(huì)產(chǎn)生巨大的影響。
    綜上所述,建議在國(guó)家層面上頂層設(shè)計(jì)相關(guān)重大項(xiàng)目,圍繞土壤微生物多樣性監(jiān)測(cè)、微生物資源挖掘、分離培養(yǎng)新技術(shù)和微生物資源大數(shù)據(jù)共享平臺(tái)建設(shè)等方面重點(diǎn)開展研究。 
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