微生物群落结构多样性的研究进展

【摘 要】近几年来，微生物群落结构越来越成为研究的热点。本文主要从微生物多样性的要素组成出发，系统的阐述了细胞结构分析方法、分子生物学方法、功能多样性方法等技术在国内外的研究进展。微生物群落结构多样性分析对于环境监控和环境治理具有重要的意义。

【关键词】微生物群落；多样性；研究进展

一、引言

微生物以群落的形式存在于自然环境中，微生物群落是地球生物化学循环的主要驱动者。近几年来，微生物群落结构成为研究的热点。早在20世纪90年代，Solbrig提出了微生物群落多样性有3个组成要素：物种多样性、遗传多样性和功能多样性。起初的研究重点在物种多样性和遗传多样性，随着各项技术的发展和研究角度的拓宽，功能多样性也越来越受重视。遗传多样性是物种多样性的基础和最重要的成分，是生物携带遗传信息的总和，从本质来讲，物种多样性源于遗传多样性。遗传多样性在分子水平上体现主要是由于遗传物质的碱基排列顺序的多样性和组成核酸分子的碱基数量的巨大性，导致在DNA复制时产生变化，从而影响DNA表达，所以从这一方面来说，遗传多样性还可以导致生物功能多样性。由于微生物的微观性，尤其是原核生物简单的单细胞结构，繁殖快、无准确的基线用于统计等原因，以至研究传统生物多样性的方法都不适合研究微生物群落，随着分子技术的不断发展，微生物群落多样性研究的方法有了突破性的进展，本文围绕微生物群落多样性的三个要素展开讨论。

二、微生物群落多样性

（一）物种多样性

我国地域辽阔，跨越热带至寒温带，是世界上生物多样性最丰富的国家之一，而多样的生境蕴藏着丰富的微生物多样性，特别是近年来微生物多样性的研究由传统的培养方法，逐渐转向以免培养的分子生物学技术为主，如DNA的指纹图谱、分子杂交、克隆文库测序、高通量测序、稳定性同位素探测、基因芯片以及转录组学等技术。

微生物细胞结构分析主要采用生物标记分子作为鉴定微生物种的决定因子，可改变显微镜等外形观察方法带来的人为误差，同时给定量研究种群开辟了新方法。生物标记是指位于生物体中，被认为有意义的生化分子。通常是特殊的蛋白质或是特征。不同种类的细胞具有特定的生化分子，不同的微生物由特定种类的细胞标志物标志，因而可以辨识出是哪一种微生物或者细胞。目前用生物标志物来定量描述微生物群落结构是较为常用的方法之一。这种生物标志物通常是微生物细胞的生化组成成分，或是细胞外分泌的产物。常使用的生物标记物有磷脂酸、酯类多糖类A脂肪酸、磷脂类化合物中的脂肪酸及鞘脂类化合物等。应用这种方法时首先要选择一种适宜的提取剂直接把其从基质中提取出来，然后对提取物进行纯化，再用合适的仪器加以定量测量。

（二）遗传多样性

最近20～30年间，以核酸分析技术为主的分子生物学技术（如 PCR、RFLP、RAPD、PCR-DGGE /TGGE、AFLP、ALHP等）的广泛应用，为从遗传多样性角度出发为生物多样性提供了新的方法论，开拓了分子生物学与生态学的交叉领域，分子生物学技术也逐渐被应用到微生物多样性的研究中来。下面以核酸探针杂交技术和PCR技术为例，探讨微生物群落的遗传多样性。

MulliS发明了聚合酶链式反应技术（PCR），给整个分子生物学领域带来一次重要的变革，使检测混合物中低浓度核酸组成成为可能。一般与电泳连连用，PCR技术可以用来对发酵中的某些特定菌进行检验和鉴定，与传统方法相比它的最大特点是快速、准确。由于PCR产物在每个环节中都呈指数增长，而PCR的灵敏性决定于目的核酸的扩增，所以任何可以影响扩增因素的微小变化都将极大地影响PCR产物的量，造成常见的假阳性反应。影响 PCR 扩增的主要因素有引物的选择、引物量和扩增程序等。在分析微生物群落时，应用最广泛的 16SrDNA通用引物是 341f/ 534r（ V3區）、341f/ 926r （ V3～ V5区）和968f/ 1401r（V6～ V8 区） ， 其中V3区分离效果较好，但缺乏分类信息。

（三）功能多样性

微生物功能多样性是指微生物有多种多样的代谢方式和生理功 能，可适应各种生态环境并以不同生活方式与其他生物相互作用。早 期的微生物群落分析，采用生化和酶学方法定义微生物群落的功能。近年来发展了多种微生物酶测定的方法，如蛋白酶、脲酶、纤维素酶等活性测定方法。

三、结论与展望

环境微生物群落结构复杂，尽管环境微生物多样性的相关研究积累了大量研究数据，群落多样性分析方法也有很多种，但是都存在一定的局限性，为了避免局限性需在原有方法的基础上进行改进，综合利用分子生态学、元基因组学、单细胞分析和群落遗传学等方法，研究环境微生物群落多样性。

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