全 文 ：·技术与方法·
生物技术通报
BIOTECHNOLOGY BULLETIN 2012年第12期
在地球生物圈中，微生物扮演着极为重要的角
色，它们的活动影响着自然环境的营养循环，土壤
肥力，有机质的分解，以及物质与能量之间的交换［1］。
过去对微生物的研究主要采用传统纯培养技术。由
于微生物群落及其栖息环境的多样性和复杂性，通
过纯培养技术在实验室所获取的微生物仅占环境微
生物总量的 1% 左右［2］。随着后基因组学时代的到来，
微生物的研究范围又一次得到了飞速发展［3］。1997
年，Velculescu 等［4］首先提出转录组的概念，即特
定的细胞在某一功能状态下全部表达的基因总和，
代表一个基因的遗传信息和表达水平。然而，对于
组成复杂和种类繁多的不可培养微生物而言，转录
组的研究还远远不够。1998 年，Handelsman 等［5］
首次正式提出宏基因组的概念，其最初的含义指的
是土壤微生物区系中全部遗传物质的总和。现在，
宏基因组指的是特定环境中细菌和真菌的遗传物质
收稿日期 : 2012-04-19
基金项目 : 科技部国际科技合作项目（2010DFA62510）, 教育部 2009 年度长江学者和创新团队发展计划（IRT0963）, 湖南省高校科技创新
团队支持计划 , 湖南省研究生科研创新项目（CX2010B287）
作者简介 : 马述 , 男 , 硕士研究生 , 研究方向 : 应用微生物学 ; E-mail: 243758292@qq.com
通讯作者 : 田云 , 博士 , 副研究员 , 研究方向 : 生物化学与分子生物学 ; E-mail: tianyun79616@163.com
卢向阳 , 博士 , 教授 , 研究方向 : 生物化学与分子生物学 ; E-mail: xiangyangcn@163.com
宏转录组技术及其研究进展
马述  刘虎虎  田云  卢向阳
（湖南农业大学生物科学技术学院 湖南省农业生物工程研究所，长沙 410128）
摘 要 ： 宏转录组学是一门在整体水平上研究某一特定环境、特定时期群体生物全部基因组转录情况以及转录调控规律的
学科。简要概述宏转录组学的产生、研究策略及其应用情况，并对其应用前景进行展望。
关键词 ： 宏基因组学 宏转录组学 微生物群落
Advances of Metatranscriptomics Technology
Ma Shu Liu Huhu Tian Yun Lu Xiangyang
（College of Bioscience and Biotechnology，Hunan Agricultural University，Hunan Agricultural Bioengineering
Research Institute，Changsha 410128）
Abstract:  Metatranscriptomics is a new subject to study the transcription situation and regulation rules of entire genomes of colonial
organism under a certain specific environment and period in the overall level. The emergence, research strategies and current applications of the
Metatranscriptomic were reviewed briefly and the application prospect of it was also anticipated in this paper.
Key words:  Metagenomics Metatranscriptomics Microbial communities
的总和。宏转录组兴起于宏基因组之后，从整体水
平上研究某一特定环境，特定时期群体生命全部基
因组转录情况以及转录调控规律，它以生态环境中
的全部 RNA 为研究对象，避开未培养微生物的分离
培养问题，能有效地扩展微生物资源的利用空间。
2006 年，Leininger 等［6］ 首次使用 454 测序技术对
一个复杂微生物群落的宏转录组进行研究。与宏基
因组学相比较，宏转录组学能从转录水平研究复杂
微生物群落变化，能更好地挖掘潜在的新基因［7］。
1 宏转录组学的研究策略
近年来，随着分子生物学技术的迅速发展，广
大科研人员主要采用新一代测序技术（next-generation
sequencing technologies，NGT）挖掘不同环境样品微
生物资源［8-11］。NGT 技术不仅可用于分析不同样品
中已知或未知的微生物转录组，而且还可以研究微
生物群落与功能之间的关系［10］。在新一代研究技术
2012年第12期 47马述等 ：宏转录组技术及其研究进展
中，cDNA-AFLP、微阵列和焦磷酸测序是较为常见
的研究策略，下面就几种研究技术作简要的介绍。
1.1 cDNA-AFLP技术
cDNA-AFLP 技术，即 cDNA 扩增性片段长度多
态性图谱技术，是在 AFLP（amplified fragment length
polymorphism） 的 基 础 上 发 展 起 来 的 RNA 指 纹 图
谱技术，通过对 cDNA 限制性酶切片段进行选择性
扩增，获取扩增片段的基因表达信息。该技术可以
有效地分析单个样品中一些生物进程的基因表达情
况［12］，具有较高的灵敏度和特异性［13］，在没有经
过测序的情况下还可以对未知的一个基因组或多个
基因组进行研究［12］，能检测低表达基因和区别同源
基因。Booijink 等［14］运用 cDNA-AFLP 技术对人类
肠道微生物的宏转录组进行研究与分析。
1.2 微阵列技术
自 1995 年由 Schena 等［15］首次提出微阵列技术
以来，作为一种强有力的基因技术，已逐渐被应用
于宏转录组学的研究上，特别是其中的寡核苷酸微
列阵技术，由于其特异性高，便于构建等优点，可
能成为微生物宏转录组学研究的重要方法。Weckx
等［16］运用微阵列技术对小麦自然发酵过程中整个
系统的糖类利用和氨基酸代谢情况进行了宏转录组
学研究，并通过构建寡核苷酸序列的基因表达调控
网络对宏转录组数据进行分析。
1.3 焦磷酸测序
焦磷酸测序技术是一种新的 DNA 序列分析技
术，其特点是操作简便、高通量、自动化，适合
大量样本的快速检测，无须进行电泳、DNA 序列
无须荧光标记等，是一个理想的分析技术平台。在
宏转录组学的研究中，焦磷酸测序运用较为广泛。
Gilbert 等［10］运用 GS-FLX 焦磷酸测序技术对一个随
机获取的复杂海洋微生物群落的全部 mRNA 进行分
析并挖掘出一些新的高表达序列基因。
2 微生物“组学”间的联系
随着后基因组时代的全面来临，宏转录组学和
宏蛋白质组学以及另外几个“组学”的研究将会更
紧密（图 1）［3］。宏基因组学提供环境总 DNA 信息，
宏转录组学提供环境总 RNA 信息，宏蛋白质组学提
供实时状况下环境功能信息，宏代谢组学提供环境
代谢产物的总体信息。将这些“组学”有效地结合
起来并用于研究不同环境的微生物资源可以极大地
丰富人类对微生物的认识。
DNA RNA
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图 1 微生物“组学”之间的联系及研究示意图
3 宏转录组学的应用
3.1 在共生体系研究中的应用
Stewart 等［17］运用焦磷酸测序技术对沿海双壳
软颚芒哈与其体内的硫杆共生菌总 RNA 约 160 万个
序列（500 Mbp）进行测序，经 NCBI BLASTx 比对
发现仅有 43 735 个基因与细菌所编码的蛋白具有同
源性，这些基因在分类学上属不同种的氧化硫菌纲，
进而揭示其他硫菌纲共生体与紫色硫菌属之间的联
系。另外，作者发现 28 个新基因参与硫能量代谢机
制（异化亚硫酸盐氧化还原途径，APS 途径和 SOX
途径），指出与共生体硫能量代谢机制相关的序列仅
占细菌 mRNA 总量的 7%。研究进一步表明硫杆菌
共生体在海洋还原生态系统中对硫的转录起着关键
性的作用。Tartar 等［18］在对白蚁与其肠道内的共生
菌进行宏转录组学的分析时，通过构建白蚁与其共
生菌 cDNA 文库并利用高通量测序对文库中的 1 万
个序列进行测序分析，挖掘出 6 555 个具有功能的
转录子，其中包含 171 个具有编码木质纤维素酶活
性的转录子。通过序列分析发现白蚁体内半纤维素
的消化由肠道内的共生菌完成，而纤维素的消化却
是由白蚁与其共生菌协同完成。
3.2 在肠道微生物研究中的应用
Gosalbes 等［19］运用 454 技术对 10 位健康人的
肠道微生物群落 cDNA 进行测序，通过 16S rRNA
分析微生物群落的结构和组成，发现厚壁菌门占
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2012年第12期48
49.18％，拟杆菌门占 31.42％，变形菌门占 3.66％，
放线菌门占 0.4％。同时，通过对 mRNA 特征分析
发现，这些肠道活性微生物在不同的健康人群中存
有一个统一的模式，其主要功能包括参与人体内物
质代谢，能量产生及细胞生长。Booijink 等［14］运用
cDNA-AFLP 技术对人类肠道微生物的宏转录组进行
研究，通过对两个尚未断奶的婴儿排泄物总 RNA 测
序分析，阐明肠道微生物的原位基因表达，并通过
与 COG（cluster of orthologous genes）数据库比对发
现有 26％的功能基因簇与新陈代谢有关。
Meng 等［7］通过对牛瘤胃微生物总 mRNA 2 500
多万序列深度测序分析，与 Silva LSU 和 SSU 数据库
比对鉴定出有 400 多万 RNA 序列为非编码 RNA 序
列，占总量的 18.4％，潜在的蛋白编码序列 2 100
多万占总量的 81.6％。与 KOG 和 COG 数据库比对，
从 2 500 个序列重叠群中鉴定出 1 000 个植物细胞壁
降解酶即糖苷水解酶、糖脂酶以及多聚糖裂解酶活
性功能序列。在这些被鉴定的酶里，还包含 GH6、
GH48 和 Swollenin 等在以往的瘤胃宏基因组学研究
中很少被提及到的基因，尤其是在宏转录组的数据
分析中可以从每个数据库里发现潜在的碳水化合物
活性酶 893 个，而在宏基因组学的数据分析中，只
能从每个宏基因组 DNA 数据库中发现 103 个潜在的
碳水化合物活性酶。换言之，宏转录组技术在挖掘
新功能基因、新活性酶上的能力远远高于宏基因组
技术。
3.3 在代谢研究中的应用
Weckx 等［16］提取 4 个经自然连续发酵 10 d 的
小麦样品（D12W、D13W、D12S 和 D13S）乳酸菌
总 RNA，并运用乳酸菌功能基因微阵列芯片技术进
行宏转录组学研究。同时，通过运用新的运算法则
构建基因表达网络图发现发酵样品转录水平上有很
多功能序列所编码的蛋白参与糖类代谢、氨基酸代
谢等不同生理、生化反应。此外，研究发现 4 个样
品不同发酵时间基因转录水平所产生的具功能的编
码序列存有差异，对于进一步研究乳酸菌生理代谢
等活动具有重要意义。
3.4 在土壤、海洋生态环境研究中的应用
目前宏转录组学研究大部分仍集中在对海洋与
表 1 水体与土壤宏转录组研究概况
研究对象 主要研究方法 研究结果 参考文献
法国西南部的松树林土壤
构建和分析土壤微生物 cDNA 文库，并运用
PCR 技术从土壤 DNA 和经反转录后的 18S
RNA 中扩增出 18S rDNA 基因
发现基因编码蛋白涉及到不同的生物化学和细胞
进程，并对松树林土壤中真核微生物进行分类
［20］
夏威夷海水微生物
运用焦磷酸测序对微生物群落的 cDNA 文库
进行分析，并与同一样品的 DNA 文库比较
宏转录组的研究结果与宏基因组研究结果一致，且
有 50％为新基因
［9］
挪威海岸边的微生物
运用 GS-FLX 焦磷酸测序技术对一个随机获
取的复杂海洋微生物群落的全部 mRNA 进
行分析
研究证实宏转录组在海洋、土壤环境中的发现，即
宏转录组可以挖掘一些新的高表达序列
［10］
美国东南部由潮汐形成的盐溪
构建环境宏转录组文库，并用高通量测序对
其进行分析
环境中的硫氧化、氮固定等重要的生化进程与转录
组存在着必然的联系
［21］
北太平洋海水微生物
运用焦磷酸测序技术分别对白天，夜晚获取
的微生物转录组 mRNA 进行测序分析
发现微生物群落的代谢活性以及其基因表达在白
天、夜晚的差异
［22］
中性且贫瘠的沙地土壤 群落总的 RNA 被随机反转录成 cDNA
获得丰富的不同营养水平土壤中三域微生物群落
的实时定量信息和群落结构功能信息
［11］
夏威夷海的细菌浮游微生物
通过对自然环境收集的总 RNA 进行焦磷酸
测序来研究微生物在环境中的基因表达
研究中从微生物宏转录组的数据库中发现一
段 cDNA 序列由被认知的 sRNAs 和未被认知的
psRNAs 组成
［23］
酸性水域环境水气界面微生物
将群体微生物总 RNA 经反转录成 cDNA 后
再与基因组芯片杂交
发现生物膜的形成和稳定与混合酸发酵的基因上
调存在着一定的联系
［24］
法国中部的山毛榉云杉林土壤
构建和分析土壤微生物 cDNA 文库，并运用
PCR 技术从土壤 DNA 和经反转录后的 18S
RNA 中扩增出 18S rDNA 基因
鉴定出 12 个假定的编码全长碳水化合物水解酶
cDNA 编码序列，并对土壤中真核微生物进行分类
［25］
波罗的海中部的次氧化海域 运用了一套新的原位固定系统
发现不同的采样技术对估测样品的转录子相对丰
度有明显的影响 .
［26］
智利北部太平洋南部含氧量最
低的海域
分别提取海域中四个不同深度水层的群落
总 RNA，运用焦磷酸测序技术对每个水层
的 cDNA 文库进行测序分析
描绘了海洋含氧量最低区域的一些微生物代谢进
程（如硫氧化），鉴定出一批关键的功能基因簇
［27］
2012年第12期 49马述等 ：宏转录组技术及其研究进展
土壤生态环境群落微生物宏转录组的研究中，表 1
归纳了部分海洋与土壤微生物宏转录组的研究概况。
4 展望
在宏基因组、宏转录组、宏蛋白质组何宏代谢
组这 4 个研究层次中，宏转录组学可以直接反映实
时环境表达信息，这种研究不仅为微生物资源的开
发和利用提供宝贵的信息，而且也为未培养微生物
的研究提供了新的思路，具有巨大的生物学意义。
宏转录组学的研究工作目前尚处于初级阶段，仍存
在许多问题有待解决。一方面来自微生物内因，由
于微生物群落及其栖息环境的多样性和复杂性，微
生物相似的基因在不同的群体或环境中转录动态存
在差异。当然，微生物的 RNA 半衰期较短且和蛋白
质的低相关性，也阻碍了宏转录组学研究的发展 ；
另一方面来自研究分析方法的局限性，如 RNA 在抽
提过程中较难去除腐殖质。此外，开发更有效的生
物信息学软件对宏转录组大量的数据进行分析也是
一大难点。因此，解决这些问题成为推动宏转录组
学技术发展的一个主要力量。随着科学技术的不断
发展，宏转录组学将在微生物群落研究中发挥越来
越重要的作用。
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（责任编辑 狄艳红）