全 文 ：微生物系统发育多样性及其保护生物学意义 3
田春杰　陈家宽　钟　扬 3 3
(复旦大学生物多样性科学研究所 ,上海 200433)
【摘要】　近年来 ,分子系统发育分析方法 ,特别是 rRNA 基因同源性分析方法 ,在微生物多样性的研究中
发挥着越来越重要的作用. 它克服了传统的微生物分离培养方法的限制 ,极大地促进了人们对微生物多样
性的理解. 在遗传信息同源性分析基础上得出的微生物系统发育多样性为多样性的保护提供了新的视点.
它不但可以作为微生物多样性评价的手段 ,而且为多样性保护中优先秩序的确定提供了依据. 同时也为
生物多样性保护确定了目标 ,即最大程度地保护系统发育关系中所包含的信息. 本文对微生物系统发育多
样性的特点及其保护生物学意义进行了简要评述.
关键词 　微生物 　系统发育多样性 　保护生物学
文章编号 　1001 - 9332 (2003) 04 - 0609 - 04 　中图分类号 　Q344 　文献标识码 　A
Phylogenetic diversity of microbes and its perspectives in conservation biology. TIAN Chunjie , CHEN Jiakuan ,
ZHON G Yang( Key L aboratory f or Biodiversity Science and Ecology Engineering , Minist ry of Education and
Institute of Biodiversity Science , Fudan U niversity , S hanghai 200433 , China) . 2Chin. J . A ppl . Ecol . ,2003 ,
14 (4) :609～612.
Molecular phylogenetic analysis plays a very important role in the study of microbial diversity. For both cultivat2
ed and uncultivated microbes , the comparative sequence analysis of 16S rRNA enabled the investigation of phylo2
genetic relationships among microorganisms in a manner that was not feasible through traditional microbiological
methods. As a result , there are drastic revisions in our understanding of microbiology. The phylogenetic diversi2
ty based on the comparative sequence analysis of 16S rRNA produced new insights into the biodiversity conserva2
tion. It provides a method for biodiversity judgment and a guideline for biodiversity conservation. Also ,it pro2
duces the aim of conservation ,which is to keep the phylogenetic information as much as possible. In this review ,
some characters of microbial phylogenetic diversity and the perspectives in conservation biology are outlined.
Key words 　Microbe , Phylogenetic diversity , Conservation biology.
3 国家自然科学基金资助项目 (30170071) .3 3 通讯联系人.
2001 - 02 - 16 收稿 ,2002 - 12 - 30 接受.
1 　引 　　言
微生物的物种资源极其丰富 ,是地球上仅次于昆虫的第
二大类群的生物 ,微生物多样性的研究是整个生物多样性研
究的重要组成部分. 通常情况下 ,生物多样性可以理解为生
物物种的多样化及其变异的程度和广度 ,是物种多样性、遗
传 (基因) 多样性和生态系统多样性 3 个层次上的综合表
述[8 ] . 微生物多样性则包括生活环境的多样性、生长繁殖速
度的多样性、营养和代谢类型的多样性、生活方式的多样性、
基因的多样性和微生物资源开发利用的多样性等等 [19 ,42 ] .
长期以来 ,微生物多样性的研究层次一直是众说纷纭 [8 ] ,由
于微生物多样性自身的特点以及当前研究的手段 ,决定了当
前微生物多样性的研究通常集中在以下的几个水平 ,即分类
多样性 ( Taxonomic diversity) 、功能多样性 ( Functional diversi2
ty) 、遗传多样性 ( Genetic diversity)和系统发育多样性 ( Phylo2
genetic diversity) [8 ] . 近年来 ,随着对微生物多样性研究的加
深 ,系统发育多样性的研究逐渐占据了主导地位 ,它不仅克
服了传统的微生物分离培养方法的限制 ,而且提供了一种科
学且简便的定量研究微生物多样性的方法. 本文简要综述了
微生物系统发育多样性的特点及其相关的分子技术 ,并探讨
了微生物系统发育多样性的保护生物学意义.
2 　微生物系统发育多样性的特点
传统意义上的生物多样性研究 ,以及生物多样性与生态
系统结构和功能关系的研究 ,主要是根据分类多样性标准进
行的[35 ] . 分类多样性的研究主要基于分类研究的基础上 ,对
分类群 (通常是物种)的丰富度和均匀度进行测定 ,然后利用
多样性指数中多样性的大小 [25 ] . 因而 ,分类多样性的研究要
有合理准确的分类标准和手段 ,只有对群落某一分类水平
(通常是物种水平) 的准确鉴定 ,才能对其数量、概率及生物
量进行定量分析. 分类多样性实际上在某种程度上等同于物
种多样性 ,但对于微生物而言 ,物种的分类鉴定存在着极大
的困难 ,因而也就在很大程度上限制了微生物多样性的研
究.首先 ,对微生物而言 ,“种”概念较模糊 ,传统的“种”概念
是建立在生殖隔离的基础之上的 ,而绝大多数的微生物均是
无性繁殖 ,且微生物之间较易进行遗传物质的交换 ,因而 ,给
种的概念在微生物研究中的应用带来困难. 尽管现在仍然采
用传统的定义 ,但其真实的涵义是值得进一步推敲的 [28 ] . 其
次 ,微生物的鉴定很难 ,因为微生物形态简单、易变 ,不像动、
应 用 生 态 学 报 　2003 年 4 月 　第 14 卷 　第 4 期 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
CHIN ESE JOURNAL OF APPL IED ECOLO GY ,Apr. 2003 ,14 (4)∶609～612
植物那样有足够而又稳定的形状可用于分类鉴定 ,这也限制
了分类多样性的研究. 还有一点就是当前研究方法的局限 ,
人们只能分离鉴定大约全部微生物的 1 %左右 ,绝大多数微
生物都还是未知的 [40 ] .
近年来 ,分子生物学的迅速发展以及计算机的普遍应用
促进了微生物多样性的研究 ,尤其是微生物系统发育多样性
的研究. 结合新技术、新手段 ,在微生物多样性的研究中 ,系
统发育多样性的研究已基本上取代了传统的分类多样性的
研究 ,显示了主导性的作用. 微生物系统发育的多样性是指
采用分子技术手段 ,根据系统发育的理论 ,对微生物所包含
的遗传信息进行同源性分析所得出的微生物的多样性. 它是
以微生物群落中种或种以上的分类阶元的系统发育的状况
为标准的 ,在序列分析的基础上 ,根据基因序列间同源性的
分析归类. 目前较为常用的方法就是基于已建立的微生物
16SrRNA 基因序列数据库 ,对样品进行 16SrRNA 基因序列
进行分析 ,确定微生物的系统发育关系 ,并不断建立新的序
列探针用以识别未知菌 [24 ,48 ] .
采用系统发育多样性的标准进行微生物多样性的研究 ,
很好地克服了以下几个困难. 首先 ,系统发育多样性的研究
是建立在微生物遗传物质的同源性分析的基础之上的 ,因而
就避免了由于微生物形态上的不稳定而带来的麻烦 ,能够较
客观真实地反映多样性的情况. 其次 ,系统发育多样性的研
究是利用分子技术手段 ,直接从样品中提取遗传物质 ,克服
了传统的分离培养的障碍. 另外 ,系统发育多样性是根据遗
传物质同源性分析的结果 ,按相似的程度进行归类 ,可以是
种 ,但更多是属或属以上的水平 ,尽管它依然借用种的概念 ,
但事实上它已经赋予种以新的内涵 ,即仅仅是在系统发育分
析中的一种归类的标准而已.
系统发育的研究在动、植物研究中已经有比较广泛的应
用 ,但真正占据主导地位却是体现在对微生物多样性的研究
上. 有人利用土壤中微生物 16srRNA 克隆基因库 ,开展了一
些关于系统发育的微生物多样性的研究 [11 ,23 ,34 ] ,这些研究
阐明了在土壤活动中的一些主要细菌类群 ,并且揭示了未知
菌的 rRNA 序列的存在. Marilley 等[24 ]也分析了细菌系统发
育的多样性随着植物根际变化而不同的情况. 可以说 ,如果
想更加详细地了解微生物的多样性 ,系统发育的知识和手段
是必不可少的. 自从 Woese[49 ]运用微生物系统发育的分析
方法确定了生命的“三域”理论以后 ,随着分子技术的发展 ,
特别是 16srRNA 序列研究的兴起 ,微生物系统发育多样性
的研究为微生物多样性的研究又带来了新的革命.
在目前 ,我们在微生物多样性研究中应当解决的几个关
键问题包括 :在许多未知菌中 ,到底有多少是系统发育上的
新类群 ? 怎样获得这些新类群 ? 在已知的由 16SrRNA 序列
分析得到的数据占总数据库的比例如何 ? 未知菌都具有哪
些非常重要的功能 ? 微生物系统发育上的多样性能够反映
化学成分上的不同吗 ? 同时 ,还包括其它更具有挑战性的问
题 ,如 :既然不同的基因进化的速度和方式是不同的 ,那么 ,
除了 RNA 基因外 ,随着基因研究的深入 ,以其它基因建树已
成为可能 ,倘若建树的结果与现有的结论不同 ,我们又将如
何处理呢 ?
微生物系统发育多样性资源是随着人类的发现而逐步
扩大的 ,已有研究表明 ,在次大陆生物圈中所包含的微生物
的生物量恐怕要比陆地和海洋中的总和还要多 [14 ] . 同样 ,在
对南极冰川下的淡水湖 Lake Vostok 的探索也表明 ,在这个
隔离了几千万年的生境中 ,将会有更为丰富的微生物资
源[43 ] . 而且 ,更为值得注意的是 ,随着人类对太阳系其它星
球的探索 ,将会有更为奇特的微生物出现 ,这对微生物多样
性的研究来说 ,不但是机遇 ,更是挑战.
3 　微生物系统发育多样性研究中的分子技术
　　据估测 ,当前全球微生物物种总数约在 106～107 种 ,大
约有 2 ×105 种不同的微生物能够进行培养 ,占总数比例的
1 %～10 % ,而其它的则是利用当前的手段还无法进行分离
培养的种类[7 ] . 近期 ,通过 16SrRNA 序列的系统发育分析的
方法 ,人们发现 ,在南极冰川下有相当丰富的古细菌 ,而对这
些古细菌的分离培养在目前尚无法实现 [43 ] .
　　既然目前只有 1 %～10 %的微生物种类可以分离培养 ,
那么绝大多数的微生物种类在传统的研究中没有被考虑到.
这些未知菌和已知菌之间是一种怎样的关系呢 ? 一种可能
就是 ,这些未知菌和已知菌之间在系统发育上是处于相同或
相似的位置 ,只是因其生理状态不适合目前的培养方法而
已.因为已有研究表明 ,许多已知菌在其生理状态发生改变
时 ,便无法再被培养[26 ] . 这种现象已经引起越来越多的关
注 ,根据这种观点 ,大部分未知菌可以被那些与它们系统发
育关系十分密切的已知菌种类所代表 ;另外一种可能是 ,未
知菌与已知菌在系统发育关系上是截然不同的. 这就意味着
绝大多数微生物资源是不为人知的. 而已有证据也表明 ,自
然界中微生物系统发育的多样性远远高于纯培养条件下所
得到的发育多样性 [32 ,36 ] . 而且 ,已经有越来越多的研究利用
分子技术 ,通过对 DNA 序列的分析 ,来对这些未知菌进行鉴
定 ,旨在查明未知类群并了解其在环境中的作用 [4 ] . 事实上 ,
两种可能性都是存在的 ,在未知菌中 ,既有与已知菌在系统
发育上较一致的类型 ,更有新的种类 ,而这部分新类群是今
后研究的重点.
　　微生物的形体较小 ,且形态简单易变 ,这给研究带来了
一定的困难. 传统的分离培养已无法满足研究的需要 ,如何
能找到一种能够克服培养的限制、能对样品进行较客观分析
且较精确的方法已成为微生物多样性研究的一个热点. 分子
克隆技术从某种程度上克服了培养的障碍 ,使我们对微生物
多样性的研究朝定量化前进了一步 [7 ] . 近来 , rRNA 基因同
源性分析方法 (rRNA Approach)在系统发育多样性研究中发
挥了巨大的作用. 它是结合多项分子生物技术对微生物的
rRNA 基因进行分析 ,从而得出微生物的系统发育多样性.
其所用的生物技术主要包括 DNA 的提取、引物及探针的设
计、PCR 扩增、梯度凝胶电泳、基因文库的筛选、序列的测定
以及杂交筛选等等. 这些技术可以按需组合. 分子技术能够
016 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　14 卷
较为准确快速地对微生物多样性进行测定 ,但同时 ,因为分
子技术所需费用较高、分子方法本身存在一些不足 ,还需进
一步探求更为合理有效的方法. 已有研究表明 ,纯培养条件
下得到的微生物的测序结果与直接对样品检测的结果相吻
合之处很小 ,这暴露了分子方法也存在着不足 [3 ,39 ] . 尤其是
取样样品的大小在分析中更为关键 [16 ] . 当前的研究业已显
示 ,有许多具有特殊意义的微生物只有在分离培养后才能对
其进行更为透彻的研究 ,所以 ,传统技术与现代手段的结合
非常必要[37 ] .
4 　微生物系统发育多样性的保护生物学意义
　　自然界中广泛的微生物资源以及获得这些资源手段的
改进 ,为我们提供了丰富的物质基础. 对有价值的微生物资
源的保护是我们当前所面临的一大挑战. 因为我们对微生物
多样性的理解可以说是刚刚开始 ,如果微生物物种并不是普
遍分布的话 ,对其在不同生境中的分布状况进行描述并进行
保护 ,对维持生态系统和人类的长远利益具有重要意义.
　　由于微生物自身的特点 ,以及人类对微生物多样性认识
的不足 ,长期以来 ,一直很少有人注意到微生物多样性的保
护问题. 一般说 ,微生物的个体小 ,看不见 ,因而不像动、植物
特别是珍稀动、植物那样引人注目. 事实上 ,微生物多样性的
消失既可影响到植物的生长 ,甚至导致它们的死亡 ,又会直
接导致生态系统中能流和物流的失调 [5 ,20 ] . 尤其是一些特殊
环境中的微生物对科学理论的研究具有重要的作用 ,因而 ,
对微生物多样性的保护不容忽视.
　　到目前为止 ,除专利菌种以外 ,尚未见到过关于保护天
然微生物资源的专门法规. 对天然微生物资源的保护也未采
取过任何切实的措施. 社会对保护天然微生物资源的必要性
和紧迫性几乎没有认识 ,造成这种局面的原因固然与微生物
资源的特点有关 ,同时也说明我们在这方面的研究不够 ,影
响不深.
　　生物多样性保护的目的就是获得最大的物种丰富程度 ,
当前生物多样性保护所面临的一个重要问题就是如何评价
多样性 ,只有准确且有效地对生物多样性进行评价 ,才能够
更好地实现保护的目的. 微生物系统发育多样性提供了一种
进行多样性评价的手段 ,在对微生物遗传信息进行同源性分
析的基础之上得出的系统发育的多样性克服了以往数据不
足、片面等缺点. 更为重要的是 ,对微生物而言 ,由于培养方
法的限制 ,系统发育的分析方法从现实的角度来说 ,已经成
为不得不采取的手段. 而利用系统发育的分析方法 ,可以从
种以上的水平 (如属)来进行多样性的评价 ,并为保护提供一
定的依据. 系统发育多样性的研究在多样性保护上的重要意
义还体现在另一个重要的方面 ,即它为多样性保护中的优
先秩序的确定提供了依据. 物种的极大丰富性以及复杂的相
互关系决定了进行生物多样性的保护时 ,必须要考虑优先秩
序.系统发育多样性通过系统发育树的建立体现物种间的亲
缘远近的关系以及进化上的顺序 ,这对于确定对哪些物种进
行优先保护具有重要意义.
　　Atkinson[2 ]在 1989 年就提出把系统发育的分析方法应
用到保护生物学中 ,Erwin[9 ]随后进一步丰富了这一思路 ,他
认为 ,当前有进化活力的世系将产生未来的生物多样性 ,是
生物多样性保护的核心. 可是由于系统发育支序与物种灭绝
概率之间的非函数关系 ,导致了他的观点不被广被接受.
Krajewski[21 ,22 ]同意系统发育为我们提供了一条确定物种保
护优先秩序的方法 ,老的和单型的世系通常对生物多样性的
贡献大 ,是保护优先考虑的目标.
　　生物多样性保护的目标不仅是保护最大的生物多样性 ,
而且重要的是如何使生物多样性的损失最小以及如何保护
产生未来多样性的重要物种、环境条件以及进化过程. 因此 ,
应当把系统发育的知识与其他方面结合起来 ,为进行生物多
样性保护提供有力依据.
　　系统发育多样性也为多物种的保护提供了依据. 以往的
保护生物学常常侧重于单个物种的保护 [6 ,13 ] ,很少有关于多
物种同时保护的措施. 在 20 世纪 80 年代 ,人们认识到 ,在多
个物种中所包含的系统发育信息对生物多样性的保护具有
重要意义[1 ,18 ,29 ,38 ] . May[27 ]最先提出了保护生物学上的系
统发育结构. 随后 ,有更多的人对此进行了完善 [3 ,12 ,15 ,41 ,44 ] ,
充分地肯定了系统发育多样性的研究在保护生物学上的意
义.
　　利用系统发育的方法作指导 ,在最大程度上保护系统中
的发育多样性是重要的 [31 ,33 ,34 ] ,然而 ,进行多样性的保护 ,
不但要考虑物种之间的系统发育关系 ,也要考虑保护的方式
会带来哪些危机 [10 ,45 ,46 ] ,如果一物种的保护 ,能够提高总体
的多样性 ,那么 ,即使这个种类不是濒危的 ,也要对其进行保
护. 更进进一步说 ,只有当所有的物种都同样的易受损害 ,并
且所有保护的物种都同样的抵御危害 ,才可实行最优化保
护[46 ] . 最优保护往往会威胁全保护 , Witting[46 ]建议 ,多物
种的保护应当朝这样的目标前进 :系统发育信息的损失减少
到最低限度. 并且 , Witting[45 ,46 ,47 ]还把对系统发育的估测
与多样性的危机的分析结合起来 ,以便能对系统发育特征的
损失进行计算并减少到最低程度.
　　除了系统发育 ,风险、生态价值也是主要的一方面 ,关键
种有较高的保护价值. 因此 ,对多样性的保护有必要倾向于
对关键种的保护. 然而 ,物种间的相互关系却与此矛盾. 与关
键种相反 ,有些物种常常通过捕食或竞争导致其他物种的灭
绝.因此可以说 ,增加某些物种的灭绝反而能够提高整个系
统发育多样性的水平.
　　近年来 ,我们对生物有机体之间的相互关系及它们的进
化历史了解逐渐加深 ,随着如何构建系统发育树理论的完
善 ,计算机手段和分子工具的帮助 ,我们已经可以重新确定
近源种类间的系统发育关系 ,甚至重建一些类群的系统发育
树. 这对促进生物多样性的保护将具有重要意义.
5 　结 　　语
　　随着生物多样性科学的发展 ,微生物多样性作为主要的
部分已经引起人们越来越多的关注. 系统发育多样性的研究
1164 期 　　　　　　　　　　　　田春杰等 :微生物系统发育多样性及其保护生物学意义 　　　　　　　
结合多种分子技术手段 ,克服了传统分离培养方法的限制 ,
在微生物多样性的研究中起到越来越重要的作用. 同时 ,也
有越来越多的研究对系统发育多样性分析如何进一步完善
提出了建议 ,比如样品选取的大小、时间等. 针对当前研究
的现状 ,选取特定生境 (特殊生境更好)的微生物进行发育多
样性的研究 ,结合具体的情况 ,确定最佳的取样标准 ,同时选
择相应的方法进行分析 ,这不但为人类提供了丰富的物质来
源具有重要意义 ,而且也为了解人类生命起源和进化提供了
依据 ,将对进化理论的研究产生巨大的影响. 在特殊生境下 ,
许多微生物系统发育多样性无疑会对生命起源和进化的理
解提供新的思路 ,甚至会推翻一些传统的生命理论 [7 ] ,未来
的 50 年中将会有越来越充分的体现.
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作者简介 　田春杰 , 男 , 1973 年生 , 在读博士生 , 主要研究
方向为微生物多样性研究 , 发表论文多篇. E2mail : chunji2
et2000 @yahoo. com
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