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Research techniques and advances on the marine microbial diversity

海洋微生物多样性研究技术进展



全 文 :第24卷 第6期
2012年6月
生命科学
Chinese Bulletin of Life Sciences
Vol. 24, No. 6
Jun., 2012
文章编号:1004-0374(2012)06-0526-05
海洋微生物多样性研究技术进展
何建瑜,赵荣涛,陈永妍,吴 杰,吴方伟,王健鑫*
(浙江海洋学院海洋生物资源与分子工程实验室,舟山 316000)
摘 要:海洋微生物资源丰富,开发潜力巨大,综述了稀释培养、高通量培养、扩散盒培养和微囊包埋等
新的海洋微生物可培养技术的发展,重点阐述了基于现代分子技术的 PCR、DGGE/TGGE、gyrB 基因、基
因芯片、环境基因组学和质谱等方法在未培养海洋微生物多样性研究中的应用。通过上述研究技术和方法
的创新,人类开发海洋微生物资源进入一个崭新的时代。
关键词:海洋微生物;可培养;未培养;多样性;技术
中图分类号:Q178.53; Q81 文献标志码:A
Research techniques and advances on the marine microbial diversity
HE Jian-Yu, ZHAO Rong-Tao, CHEN Yong-Yan, WU Jie, WU Fang-Wei, WANG Jian-Xin*
(Laboratory for Marine Living Resources and Molecular Engineering, Zhejiang Ocean University, Zhoushan 316000, China)
Abstract: Ocean is rich in microbial resources, and has great exploitation potentialities. In this paper, some new
culture techniques and applications such as dilution culture, highthroughput culturing, diffusion chamber and
microencapsulation methods are reviewed. Simultaneously, the molecular methods include PCR, DGGE/TGGE,
gyrB, environmental genomics and mass spectrometry are mainly discussed. Based on the above research
techniques and methods of innovation, the exploitation of marine microbial resources will go into a new era.
Key words: marine microorganism; cultured; uncultured; diversity; technology
收稿日期:2011-11-22; 修回日期:2012-01-19
基金项目:浙江省自然科学基金项目(LY12C03003);浙江
省科技厅公益性技术应用研究项目(2011C31017);舟山
市科技局海洋类项目(10248);浙江省大学生科技创新项
目(2010R411002);浙江海洋学院大学生科技创新项目
*通信作者:E-mail: zswjx2575@163.com
海洋微生物多样性是指所有海洋微生物在内的
种类、遗传信息及其生存环境的总称,包括物种多
样性、生长繁殖速度多样性、营养和代谢类型多样
性、生活方式多样性、生存环境多样性、基因多样
性和微生物资源开发利用多样性 [1-2]。研究海洋微
生物多样性,不仅为开发利用海洋微生物资源提
供重要的参考依据,还能为人类了解生命起源和进
化提供重要线索。但由于海洋生境的复杂性和检
测技术的限制,导致许多处于“VBNC (viable but
nonculturable)”状态的海洋微生物在常规检测中难
以被发现 [3],同时绝大多数海洋微生物无法获得纯
培养菌株 [4-5],人类对其多样性的认识非常有限。
进入 21 世纪后,许多新的培养技术在研究中得到
应用,加之分子生物学、宏基因组测序等现代分子
技术的发展,对海洋微生物多样性的研究和开发利
用起到重要的推动作用。
1 可培养海洋微生物多样性分析技术
可培养海洋微生物多样性分析是建立在获得大
量纯化菌株的基础上进行的,而为获得更多的海洋
微生物纯培养菌株,研究人员对其代谢途径以及基
础生物学、生理学进行更全面的了解,并致力于开
发海洋微生物的培养新技术,现将部分新发展的技
术简述如下。
1.1 稀释培养技术
稀释培养技术 (dilution culture) 是指将样品稀
何建瑜,等:海洋微生物多样性研究技术进展第6期 527
释到已知数量的细胞浓度后,接入灭菌海水中进行
培养的一种方法 [4,6]。Button 等 [7] 采用稀释培养法
结合流式细胞仪研究海洋细菌多样性,结果发现,
稀释培养九周后的微生物细胞浓度可达到 104/mL,
细胞的倍增时间差异明显,短的只需一天,长的达
一周。Schut 等 [8] 应用稀释培养法研究阿拉斯加复
活湾和荷兰北海海域的海洋细菌多样性,实验表明
中海水细胞浓度约为 1.1×105/mL 和 1.07×106/mL,
用该方法分离到 37 株兼性寡营养菌和 15 株专性寡
营养细菌。戴欣等 [9] 比较了普通培养和稀释培养的
分离效果,发现稀释培养基上生长的细菌数量普遍
是普通牛肉汁琼脂培养基上生长的细菌数量的 3~5
倍,通过稀释培养可以获得更多的纯化菌株。
1.2 高通量培养技术
为了提高分离效率,Connon 等 [10] 在稀释培养
法的基础上提出高通量培养技术 (high throughput
culturing, HTC)。该方法是将样品浓度稀释至 103/mL
后,采用 48 孔细胞培养板分离培养微生物。通过
高通量培养技术可将样品中 14 % 的微生物纯培养
出来,远高于传统分离技术所培养的微生物数量,
并 发 现 了 4 种 独 特 的 未 培 养 海 洋 变 形 菌 门
(Proteobacteria) 进化枝,即 SAR11、OM43、SAR92
和 OM60/OM241 进 化 枝。Cho 和 Giovannoni[11] 采
用该技术从太平洋近岸和深海中培养出 γ- 变形菌
纲 (γ- proteobacteria) 中的 44 种新菌株。
1.3 扩散盒培养技术
为了能够让海洋微生物在原位条件下进行富集
生长,最终得到纯培养的微生物,Kaeberlein 等 [12]
设计开发了扩散盒 (diffusion chamber) 培养技术,
该扩散盒由一个环状的不锈钢垫圈和两侧胶连的
0.1 μm 滤膜组成,将含有海洋微生物的样品加至
封闭的扩散盒中,在模拟采样点环境的玻璃缸中
进行培养。这种方法的优点是最大程度上模拟微
生物所处的自然环境,环境中化学物质可以自由交
换、微生物群落之间可以相互联系,保证微生物生
存环境的原位性,从而提高微生物的可培养性 [4,6,13]。
Bollmann 等 [14] 利用扩散盒培养法和平板分离法分
离出许多常规方法很难分离的 δ- 变形菌、疣微菌
(Verrucomicrobia)、螺旋体 (Spirochaetes) 和酸杆菌
(Acidobacteria)。Bollmann 等 [15] 利用扩散盒培养法
分离得到的 α-/β-/γ-proteobacteria、Actinobacteria、
Firmicutes 等纯培养菌株有着丰富的多样性差异。
1.4 微囊包埋技术
微囊包埋技术 (microencapsulation) 是另一种高
效、高通量的海洋微生物分离技术 [4,6,13,16]。Zengler
等 [17] 将海水和土壤样品中的微生物进行稀释后制
成包埋单个微生物细胞的琼脂糖微囊,然后将微
囊装入凝胶柱内流态培养,结合流式细胞仪进行检
测,获得大量纯培养微生物,同时发现了一些新的
细菌 16S rRNA 基因分支。通过进一步研究表明,
微囊包埋技术可以用于超过 10 000 个环境样本中的
细菌和真菌的分离 [18]。美国 Diversa 公司利用该方
法成功培养出一些新菌种,获得较高的分离效率,
但由于该方法建立的时间较短,还存在一些如包埋
基质透性差、微生物热敏感等技术问题 [6,13]。
综上所述,海洋微生物可培养技术在近年来得
到了一定的发展,但仍然无法满足人类探索海洋的
迫切需要,因此还需要在进一步研究海洋微生物生
理生化特性的基础上,结合分子生物学技术,创建
一些新的更能模拟海洋环境条件的培养方法,为海
洋微生物资源的保护和利用提供更多的新菌株。
2 未培养海洋微生物多样性分析技术
在过去的 20 年间,一些分子生物学技术已经
广泛地应用于海洋微生物多样性的研究中,并取得
了许多重要的成果。
2.1 PCR技术在多样性研究方面的应用
微生物多样性研究中,基于 PCR 的多样性分
析技术目前得到广泛的应用。在此基础上开发的新
技术主要包括末端限制性片段长度多态性 (terminal
restriction fragment length polymorphism, T-RFLP)[19]、
扩增片段长度多态性 (amplifi ed fragment length poly-
morphism, AFLP)[19]、单链构象多态性技术 (single
strand conformation polymorphism, SSCP)[19]、随机引
物扩增多态性 (random amplifi ed polymorphic DNA,
RAPD)[20-21]、扩增 rDNA 限制性分析 (amplifi ed ribo-
somal DNA restriction analysis, ARDRA)[22] 等。宋志
刚等 [22] 利用 ARDRA 多态性分析技术,将 542 株
纯培养菌株划分为 16 个 OUT,结果表明东海海域
有着丰富的微生物种群多样性。陈明娜 [23] 采用
T-RFLP 和 16S rRNA 基因文库结合的分析方法,发
现东太平洋 E272 站位沉积物样品的细菌多样性程
度较高,包含变形菌门 (Proteobacteria)、绿弯菌门
(Chloro-fl exi)、浮霉菌门 (Planctomycetes)、酸杆菌门
(Acido-bacteria)、放线菌门、拟杆菌门 (Bacteroidetes)、
硝化螺旋菌门 (Nitrospira)、OP8 和 TM6 等 9 个主
要的门类。陈偿等 [24] 利用 RAPD 技术发现了海水
养殖环境中溶藻弧菌流行的基本规律。Peters 等 [25]
生命科学 第24卷528
用 PCR-SSCP 技术研究海洋微生物群落的演替和菌
种的多样性,认为该方法可以避免传统培养费时、
费力以及误差大的限制,对微生物群落结构和演替
分析具有较明显的优势作用。
2.2 DGGE/TGGE在微生物生态学中的应用
变形梯度凝胶电泳 (DGGE) 技术是利用不同序
列的 DNA 片段在具有变性剂梯度或温度梯度的
凝胶上迁移率不同的原理,达到片段分离的目的,
是微生物群落遗传多样性和动态分析的有力工
具 [26-27]。Muyzer 等 [28] 首次将该技术用于研究微生
物菌苔和生物膜系统的群落多样性分析。Rasmussen
等 [29] 利用 PCR-DGGE 分析技术研究海洋沉积物中
微生物的群落结构和多样性。Diez 等 [30] 应用
DGGE 技术研究了地中海东南海域不同位点和深度
的海洋微型真核生物 (picoeukaryotic) 群落多样性,
其结果与克隆文库和 RFLP 技术分析相同样品所得
结果基本一致。马悦欣等 [31] 应用 DGGE 技术对四
角蛤蜊 (Mactra venerformis) 体内的细菌种类多样性
进行研究,结果表明,四角蛤蜊体内细菌多样性,
包括 Mycoplasma、Pseudomonas、Vibrio、Rhodococcu、
Sphingomonas 及其他不可培养的细菌比较丰富,同
时可以直观地研究细菌优势菌群结构随时间变化的
差异。TGGE 技术的原理与操作基本与 DGGE 类似,
但在海洋微生物中的应用报道较少。
2.3 gyrB基因在多样性分析中的应用
gyrB基因作为促旋酶 (gyrase)的B亚单位基因,
普遍存在于各种细菌中,其序列具有较高的保守性
和变异性,不显现频繁的水平转移,在以核苷酸序
列为基础的细菌分类及鉴别研究中,可作为靶分子,
特别适用于菌株的区别和鉴定 [32-34]。gyrB 基因能对
假单胞菌、芽孢杆菌、弧菌、肠杆菌、分枝杆菌、
气单胞菌、乳酸菌等不同属或科内的近缘种进行区
分鉴定,还可通过设计种特异性引物进行定量 PCR
或限制性片段分析,同时也能结合变性梯度凝胶
电泳技术 (DGGE) 追踪微生物的动态 [35]。Venkates-
waran 等 [36] 通过对 1 258 bp 的 gyrB 基因序列分析
发现,副溶血弧菌与溶藻弧菌的 16S rDNA 的相似
率为 99.7 %,而 gyrB 的相似率仅为 86.8 %。2004 年,
Coenye 等 [37] 利用 gyrB 基因与 PCR-RFLP 技术相
结合的方法对 191 株 Stenotrophomonas maltophilia
进行了鉴定,结果与 DNA-DNA 杂交一致,说明该
方法完全适合用于细菌的系统发育分析和菌种鉴
定。gyrB 基因在海洋微生物中的应用有利于未培养
细菌的克隆鉴定,构建未培养细菌的基因文库,对
多样性的研究具有重要的意义。
2.4 环境基因组学技术在海洋微生物中的应用
自 1991 年 Pace 首次提出环境基因组学 (meta-
genomics) 概念以来,其相关研究就受到广泛关
注 [38-39]。近年来各种 DNA(cDNA) 微阵列、DNA
芯片、基因表达序列分析 (SAGE)、差异显示反转
录 PCR (DDRT-PCR)、实时定量 PCR 等基因组学研
究新技术和方法不断涌现,并在海洋微生物多样性
研究中得到广泛应用。Venter 等 [40] 利用构建宏基
因组文库,发现了马尾藻海表层海水样本中的
1 800 多种海洋微生物新种及 120 万个新基因,极
大的丰富了人们对海洋微生物遗传多样性的认识。
Martin-Cuadrado 等 [41] 利用 meta-genomics 技术对
Ionian 海底 3 000 m 深的海水中微生物群落进行研
究,发现序列多为 Acidobacteria、Chlorofl exi、Plancto-
mycetes、α/γ-Proteobacteria,还有 28 条泉古菌相
似序列。宏基因组学技术在海洋微生物代谢多样性
及新型酶的研究中也起到重要的促进作用 [42]。近来,
新一代的功能基因阵列 (FGAs; Geo Chip3.0) 被广泛
应用于微生物群落结构、功能以及微生物群落在生
态系统中发挥的功能等研究中 [43]。Zhou 等 [44] 利用
Geo Chip 技术,结合基于随机矩阵理论 (RMT) 系
统的分子发育方法对土壤微生物群落宏基因组序列
进行法分析,发现宏基因组测序和 Geo Chip 结合
的方法非常适于环境因子对微生物群落多样性和功
能的相关研究,这种方法也正在海洋微生物研究中
得到应用。
3 质谱在多样性分析中的应用
质谱分析法是通过对被测样品离子质荷比的测
定来进行分析的一种方法,已广泛应用于化学、能
源、环境、医学、生命科学、材料科学等各个领域 [45]。
由于质谱技术可以对微生物的多种成分 ( 包括蛋白
质、多肽、脂类、脂多糖和 DNA) 进行分析,因此
在微生物鉴定中也得到应用 [46]。同时通过海洋微生
物的相关研究,也发展了新的多重同位素显像质谱
(MIMS) 技术。Lechene 等 [47] 利用该技术对海洋无
脊椎动物古琴船蛆属 (Lyrodus pedicellatus) 共生固
氮细菌的数量、分布及在固氮作用中的作用过程进
行了研究,Yang 等 [48] 利用显像质谱技术,发现了
海洋细菌 (Promicromonosporaceae) 分泌的一种氨基
酸,通过含铁细胞的响应,能改变枯草杆菌的运动
能力,这为研究微生物群落中复杂的代谢作用提供
了新的研究方法。多样性研究不仅包括遗传多样性,
何建瑜,等:海洋微生物多样性研究技术进展第6期 529
还有代谢多样性、功能多样性,利用质谱技术对海
洋微生物进行研究,可以较清楚地了解海洋微生物
特殊的代谢和功能的多样性,丰富海洋细菌在海洋
生态系统中的作用。
4 结论和展望
21 世纪是海洋的世纪,海洋微生物将成为未
来医药、酶制剂、新能源等产业的重要来源,而开
发和利用海洋微生物资源的前提是对其多样性的了
解,因此海洋微生物多样性研究仍然是未来海洋科
学研究的前沿领域。
开展海洋微生物多样性研究一方面要结合现代
分子生物学、质谱学、环境基因组学等新的方法,
增加对未培养海洋微生物多样性的研究,为可培养
提供理论基础;另一方面还需要进一步加大海洋微
生物培养技术的创新,因为获得可培养菌株是研究
其代谢多样性、功能多样性的前提,也是大规模产
业化的基础。同时海洋微生物多样性的研究要更多
地与海洋地质、海洋化学、深海探测等领域进行交
流与合作,多学科的交叉才能使海洋微生物多样性
的研究得到更快更好的发展。
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