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微生物组学的技术和方法及其应用1
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摘要微生物组是指一个特定环境或生态系统中全部微生物及其遗传信息的集合,其蕴藏着极为丰富的微生物资源。全面系统地解析微生物组的结构和功能, 将为解决人类面临的能源
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植物生态学报 2020, 44 (4): 395–408 DOI: 10.17521/cjpe.2019.0222
Chinese Journal of Plant Ecology
http://www.plant-ecology.com
——————————————————
收稿日期Received: 2019-08-19 接受日期Accepted: 2019-10-23
基金项目: 国家自然科学基金(31870480)。Supported by the National Natural Science Foundation of China (31870480).
* 通信作者Corresponding author (hychu@issas.ac.cn)
微生物组学的技术和方法及其应用
高贵锋
1
褚海燕
1,2*
1
中国科学院南京土壤研究所, 南京 210008;
2
中国科学院大学,北京 100049
摘 要 微生物组是指一个特定环境或生态系统中全部微生物及其遗传信息的集合, 其蕴藏着极为丰富的微生物资源。全面
系统地解析微生物组的结构和功能, 将为解决人类面临的能源、生态环境、工农业生产和人体健康等重大问题带来新思路。
然而, 微生物组学研究在很大程度上取决于其技术与方法的发展。在高通量测序技术出现以前, 微生物研究主要基于分离培
养和指纹图谱等技术, 然而, 由于这些技术存在的缺陷, 人们对于微生物的认识十分有限。自21世纪初以来, 尽管高通量测序
和质谱技术的革命性突破极大地促进了人们对于微生物的认识, 微生物组学技术在微生物组研究中的应用仍面临着诸多挑
战。此外, 目前微生物组的结构和多样性等描述性研究已臻成熟, 微生物组学研究正处于从数量到质量、从结构到功能的关
键转变时期。因此, 该文首先介绍了微生物组学的基本概念及其发展简史, 其次简述了微生物组学研究的相关技术和方法及
其发展历程, 并进一步阐述了微生物组学的技术和方法在生态学研究中的应用及存在的主要问题, 最后从技术、理论和应用
层面阐述了未来微生物组学技术和方法发展的前沿方向, 并提出了今后微生物组学研究的优先发展领域。
关键词 微生物组学; 高通量测序; 质谱技术; 微生物功能
高贵锋, 褚海燕 (2020). 微生物组学的技术和方法及其应用. 植物生态学报, 44, 395–408. DOI: 10.17521/cjpe.2019.0222
Techniques and methods of microbiomics and their applications
GAO Gui-Feng
1
and CHU Hai-Yan
1,2*
1
Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China; and
2
University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
Abstract
Microbiome is the combination of all microorganisms and their genetic information in a specific environment or
ecosystem, which contains abundant microbial resources. A comprehensive and systematic analysis of the struc-
ture and function of microbiome will provide new ideas in solving the core issues in the fields of energy, ecologi-
cal environment, industrial and agricultural production and human health. However, the study of microbiome
largely depends on the development of relevant technologies and methods. Before to the advent of high-throughput
sequencing technology, microbial research was mainly based on techniques such as isolation, pure-culture and
fingerprint. However, due to the technical restrictions, scientists could only get limited knowledge of microorgan-
isms. Since the beginning of 21st century, the revolutionary advances in the technology of high-throughput se-
quencing and mass spectrometry have greatly improved our understanding on the structure and ecological func-
tions of environmental microbiome. However, the application of microbiomics technology in microbial research
still faces many challenges. In addition, the descriptive studies focusing on the structure and diversity of micro-
biome have already matured, and the study of microbiomics is facing a critical transition period from quantity to
quality and from structure to function. Hence, this paper will firstly introduce the basic concepts of microbiomics
and a brief development history. Secondly, this paper introduces the related technologies and methods of micro-
biomics with their development process, and further expounds the applications and main problems of microbiom-
ics technologies and methods in ecological study. Finally, this paper expounds the frontier direction of the devel-
opment of microbiomics technology and methods from the technical, theoretical and application levels, and pro-
poses the priority development areas of microbiome research in the future.
Key words microbiomics; high-throughput sequencing; mass spectrometry; microbial functions
Gao GF, Chu HY (2020). Techniques and methods of microbiomics and their applications. Chinese Journal of Plant Ecology, 44,
395–408. DOI: 10.17521/cjpe.2019.0222
©植物生态学报 Chinese Journal of Plant Ecology
扫
码
提
问
396 植物生态学报 Chinese Journal of Plant Ecology 2020, 44 (4): 395–408
www.plant-ecology.com
微生物数量庞大、种类繁多, 是地球生物化学
循环过程的驱动者, 是工农业生产、医药卫生和环
境保护等关键领域的核心资源, 因此微生物组研究
已成为新一轮科技革命的战略高地(朱永官等,
2017)。然而, 微生物并不是孤立存在的, 而是与其
所处环境紧密联系, 其活性和生长在很大程度上受
周围环境的影响, 包括生物环境和非生物环境(贺
纪正等, 2014)。微生物与其所处环境共同构成了复
杂的微生物组, 其在支撑生态系统过程和功能中发
挥着不可替代的作用。为了充分发挥微生物组在各
前沿领域的关键作用和巨大潜力, 深入理解微生物
组的结构和功能至关重要。然而, 微生物组学研究
的发展强烈依赖于微生物组学的技术和方法。
在20世纪80年代以前, 微生物研究主要基于微
生物的分离培养, 但绝大多数微生物无法被分离培
养, 因此, 这阶段人们对于微生物的认识基本停留
在形态观察、分类及生理学研究。20世纪末期, DNA
指纹图谱等分子生物学技术的兴起实现了不依赖于
微生物培养, 而直接在DNA水平对环境整体微生物
群落进行分析, 开创了微生物分子生态学研究的新
时代。然而, DNA指纹图谱只能靶标优势类群, 不能
真实反映微生物的多样性及物种组成。自21世纪初
以来, 高通量测序和质谱等技术的突破, 使得我们
可以从DNA、RNA、蛋白质和代谢物等不同水平解
析微生物组, 以获得更为全面的微生物组信息。然
而, 目前各组学技术仍存在一定局限性, 比如, 现
有测序技术均基于使用PCR的
DNA扩增, 这将
会导
致有些序列可能被测了多次, 而有些量少的序列则
无法被大量扩增, 同时PCR过程中可能会引入错配
碱基, 从而造成信息的丢失。在宏代谢组分析中, 气
相色谱-质谱联用(GC-MS)只能对其中的挥发性物
质实现直接分析, 而对那些难挥发的物质分析效果
不佳。在理论层面上, 现代生态学经过20世纪的发
展已经累积了大量成熟的理论和模型, 而这些理论
大都建立在宏观生态学的基础上, 这些理论和模型
是否也适用于微生物领域, 目前还没有明确的结论,
仍需要更多的微生物组数据支撑。在技术应用上,
仅利用单一组学技术并不能完全揭示微生物组信息,
近年来多组学技术结合的研究策略更有利于全面解
析微生物组(Deng et al., 2019)。因此, 如何解决各组
学技术的缺陷, 充分发挥各组学技术的优势, 注重
多组学技术的并行应用和多学科的交叉融合, 将是
未来微生物组研究的必然趋势。不仅如此, 由于高
通量测序较低的测序成本, 目前微生物组研究已积
累了海量的测序数据, 微生物组研究正面临着从数
量到质量、从结构到功能研究的关键转变过程。
本文将首先介绍微生物组学的基本概念及其发
展简史; 其次, 简要阐述微生物组学技术的概念和
内涵, 进一步从宏基因组、宏转录组、宏蛋白质组
和宏代谢组四部分分别概述微生物组学的技术和方
法及其发展历程; 此外, 本文将着重阐述微生物组
学相关技术和方法在生态学研究中的应用及目前存
在的主要问题; 最后, 本文将从技术和理论层面简
要阐述未来微生物组学技术和方法的发展方向, 强
调多组学结合与多学科交叉在微生物组学研究中的
重要意义, 并进一步提出未来微生物组学研究的优
先发展领域,
即微生物生物地理、土壤-植物-微生
物
互作和微生物组功能定向调控。
1 微生物组学的基本概念及其发展简史
微生物与其所处环境构成了复杂的生态系统,
是地球上生物多样性的重要组成部分。微生物组
(microbiome)是指一个特定环境或生态系统中全部
微生物及其遗传信息的集合, 其内涵包括了微生物
与其环境和宿主的相互作用(刘双江等, 2017; 吴庆
龙和江和龙, 2017)。微生物组蕴藏着极为丰富的微
生物资源, 是工农业生产、医药卫生和环境保护等
领域的核心资源(朱永官等, 2017)。微生物组学
(microbiomics)是以微生物组为研究对象, 探究其内
部群体间的相互关系、结构、功能及其与环境或宿
主间相互关系的学科(刘双江等, 2017)。
微生物学研究大致可分为三个阶段。第一阶段:
在20世纪70年代以前, 主要采用传统的微生物分离
培养技术获得菌株, 并进行一系列繁冗的生理生化
分析, 因此人们对于微生物的认识基本停留在形态
观察、描述、分类及生理学阶段。第二阶段: 从20
世纪80年代开始, BIOLOG技术、磷脂脂肪酸法、
DNA指纹图谱、基因芯片等分子生物学技术的兴起
实现了不依赖于微生物培养, 而直接对环境微生物
群落进行分析, 开创了微生物分子生态学研究的新
时代。值得注意的是, 在DNA指纹图谱等技术的发
展过程中, 还出现了第一代测序技术, 即Sanger法
(Sanger et al., 1977)。1998年, 威斯康辛大学的Hand-
elsman等(1998)首次提出宏基因组的概念, 其研究
©植物生态学报 Chinese Journal of Plant Ecology
高贵锋等: 微生物组学的技术和方法及其应用 397
DOI: 10.17521/cjpe.2019.0222
对象为特定环境中的总DNA。宏转录组则兴起于宏
基因组之后, 它以特定环境中的全部RNA为研究对
象, 探究全部基因组的转录水平, Leininger等(2006)
首次使用454焦磷酸测序技术对复杂微生物群落进
行宏转录组研究。第三阶段: 从2006年开始, 高通
量测序(第二代测序技术)和质谱技术的革命性突破
以及生物信息学的快速发展极大推动了微生物组研
究(Falkowski et al., 2008; Herbst et al., 2013; Zhong
et al., 2017; Bahram et al., 2018; Kleiner et al.,
2018)。根据Web of Science核心文集的检索结果, 出
现关键词“microbiome”的文章数量正以指数型增长
(图1A)。微生物之间以及微生物与其所处环境间的
相互作用极为复杂, 通过宏基因组学结合宏转录组
学以及新一代质谱技术催生下的宏蛋白质组学和宏
代谢组学, 人们可以更全面、系统地解析微生物组
的结构和功能。随着微生物组研究的发展, Egert等
(2006)最早提出了“microbiomics”一词, 基于微生物
组学相关技术和方法(目前主要为宏基因组学和宏
代谢组学, 相比之下, 宏转录组学和宏蛋白组学仍
处于起步阶段), 微生物组学研究开始进入了空前
的发展时期(图1B)。目前, 各个国家、地区和组织
正积极推进“微生物组计划” (表1), 研究对象涵括
人体、土壤、海洋、大气等, 力求为解决21世纪人
类面临的农业、能源、环境、海洋和气候等重大问
题提供新的思路和途径。
2 微生物组学的技术和方法及其发展
微生物组学技术是指不依赖于微生物培养, 而
利用高通量测序和质谱鉴定等技术来研究微生物组
的手段, 目前已被广泛应用于环境微生物组研究,
其研究对象包括土壤、水体、大气和人体等。目前,
微生物组学技术主要包括以下4种:
图1 历年来发表的微生物组学相关文章数量趋势图。A, 包含关键词“微生物组”的文章数。B, 包含关键词“微生物”且分别
包含“宏代谢组学”“宏蛋白质组学”“宏基因组学”“宏转录组学”的文章数量。数据来源于Web of Science核心文集(时间:
1900–2019年)。
Fig. 1 Tendency of the published articles in microbiome over years. A, Number of articles with the keyword “microbiome”. B,
Number of articles with the keyword “(‘microorganism*’ or ‘microbe*’ or ‘bacter*’ or ‘archae*’ or ‘fung*’)” and “metagenomics”,
“metatranscriptomics”, “metaproteomics” and “metabolomics”, respectively. Data were collected from Web of Science Core Col-
lection (Time: 1900–2019).
表1 全球重大“微生物组计划”一览
Table 1 General survey of ‘Microbiome Project’ in the world
主导部门
Department
启动时间
Starting year
计划名称
Project name
美国国立卫生研究院 US National institutes of Health
2007
人体微生物组计划 The Human Microbiome Project
美国阿贡国家实验室 Argonne National Laboratory
2010
地球微生物组计划 Earth Microbiome Project
巴西国家科学技术研究院 Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais
2013
巴西微生物组计划 The Brazilian Microbiome Project
美国白宫科学和技术政策办公室与联邦机构、私营基金管理机构
Office of Science and Technology Policy, Federal Agency, Private Fund
Management Agency
2016
国家微生物组计划 National Microbiome Initiative
南非和美国国际开发署
South Africa and United States Agency for International Development
2016
非洲土壤微生物组计划 African Soil Microbiology Project
中国科学院 Chinese Academy of Sciences
2017
中国微生物组计划 China Microbiome Initiative
©植物生态学报 Chinese Journal of Plant Ecology
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kdbshi
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