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土壤微生物檢測多樣性研究中存在的問題

發布時間： 2017-09-21　　點擊次數： 3402次

土壤微生物檢測針對土壤微生物，以往的研究大多聚焦于土壤微生物組成和多樣性的空間分異，而對土壤微生物組成和多樣性在時間尺度上的動態變化研究較少。人們觀測到很多微生物介導的生物地球化學過程均顯示出季節性的動態變化，如溫室氣體排放通量。然而，這些過程與微生物群落組成和多樣性動態變化的關系尚不清楚。在為數不多的一些有關土壤微生物群落動態變化研究中，人們利用時間序列分析和高通量測序技術發現，一些生態系統中土壤微生物群落組成和多樣性也表現出明顯的動態變化，動態變化的模式因不同生態系統而有差異。揭示這種動態變化的規律及其驅動機制，可以使我們深入認識微生物群落的演替規律及其對生態系統功能的影響，以揭示群落穩定性與生物多樣性的關系，預測微生物群落對氣候變化、土地利用等擾動的響應。為了闡明這些科學問題，需要在不同生態系統中對土壤微生物類群和基因組進行長期、定點、動態的監測;同時結合其他生態過程監測，如生物地球化學過程、植被演替等，以便獲得系統的監測數據。
zui近十余年來，上開展了一些微生物組計劃，這些計劃主要研究人體腸道微生物，如美國人體微生物組計劃，加拿大微生物組研究項目，以及歐盟和中國的MetaHIT項目等，尚缺乏專門針對土壤微生物組的研究計劃。當前進行的微生物組計劃沒有能夠很好地合作，研究方法也不統一，雖然各研究計劃都產生了大量數據，但很難對這些數據進行整合。如利用16SrRNA基因鑒定微生物群落組成時，由于擴增16SrRNA基因的引物不同，zui終獲得的數據差異很大。另外，由于生物信息處理序列數據時選擇的方法不同，估算微生物物種數量時可以差2–3個數量級。因此，對微生物多樣性監測工作而言，標準化的研究流程和研究方法對于數據的可比性非常重要。然而，每種研究方法均有其局限性，過分追求標準化也不利于創新。如用常用的16SrRNA引物515F/806R調查土壤微生物組成時，可能會漏掉一些*的菌群。在第三代單分子測序技術的應用中，在對測序數據進行處理時，進行OTUs（可操作分類單元）分類是關鍵的一步，目前雖然有很多計算方法，但沒有一種方法適用于所有的情況，所以要根據研究問題、數據情況和計算能力來選擇。
對于土壤微生物檢測多樣性監測的系統研究工作很少，可以借鑒的經驗和標準方法不多。美國科學家發起的地球微生物組計劃，目的是為了在尺度上收集各種生態系統中微生物群落組成和分布的數據，分析微生物群落的分布、多樣性及形成機制。項目組織者也建議了一些標準化的方法，涉及實驗室技術和數據處理流程等，如土壤基因組DNA提取建議用MoBio公司生產的PowerSoilDNAisolationkit。該試劑盒采用的方法能有效地去除土壤中的PCR抑制物，可重復性強，但價格較高。PCR擴增16SrRNA基因建議用515F/806R,利用Illumina公司的Miseq或Hiseq平臺測序;18SrRNA基因的擴增推薦用Euk_1391f和EukBr，擴增子序列的處理推薦用QIIME平臺。該項目還對如何提供與樣品對應的宏數據也進行了一定的規范。但是，該項目沒有對野外取樣過程和土壤微生物動態監測的方法提出建議。這種人為設定的標準方法和流程還存在一些問題。筆者認為，在土壤微生物多樣性監測方法的選擇上，要根據不同的研究目的制定出多套研究方案，同時及時采用新的技術手段，鼓勵探索新的方法。
土壤微生物檢測多樣性監測將產生大量數據，加上已經發表的數據，數據的管理、查詢和挖掘亟需建立大數據平臺，然而至今尚沒有系統的土壤微生物多樣性的數據集和專業數據庫。如何實現微生物多樣性監測數據的共享，涉及到很多具體問題需要解決，如數據整合和共享方式、數據庫運行支撐體系、知識產權保護問題等等。
另一方面，為了研究一個物種的生理、生化特征及工業應用，分離純化功能微生物是非常重要的。至今，環境中的大多數微生物物種還不能在實驗室中被分離培養出來，這是當前土壤微生物多樣性研究中存在的一個大問題，因此，傳統分離培養方法的改進也是土壤微生物多樣性研究的重要課題。利用監測獲得的數據可以得到物種的分類信息，把要分離的物種與已分離菌種的生長條件進行比較，通過查詢已知培養基數據庫（如KOMODO），可以為分離新菌種推薦培養基和培養條件。而一株重要功能微生物的獲得，可以對人類社會產生巨大的影響。
綜上所述，建議在國家層面上頂層設計相關重大項目，圍繞土壤微生物多樣性監測、微生物資源挖掘、分離培養新技術和微生物資源大數據共享平臺建設等方面重點開展研究。

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