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对微生物种群认知的升级

已有 2811 次阅读 2016-11-8 00:00 |系统分类:论文交流| 暗物质, 蛋白质, 微生物, 功能性, 反应器

自高通量测序的成本大幅降低以来,越来越多从事环境生物技术的学者借助微生物的16SrRNA/rDNA的某段序列作为引物进行深度测序,从而获得丰富的种群信息。近两年来逐渐流行的宏基因组(metagenomics),宏反转录组(metatranscriptomic)以及宏蛋白质组学(metaproteomic)技术更是提供了大量关于反应器内种群功能性和物种间相互作用的信息。2015年以来少数文章报道了借助genome-centric手段分析生物反应器内尚未被人们了解的菌种及其功能,即微生物暗物质(microbialdark matters)。上述技术的进步带给我们对种群认识的纵向升级,即能够越来越深入的挖掘个体的信息,从而对整体有更全面的认识。最近发表在微生物生态学著名刊物ISME J上的一篇文章则将这种认知横向延伸。

  由比利时根特大学和瑞士联邦水研究中心Props等人对一个冷却循环水系统中的微生物分别进行了16SrRNA基因测序和FlowCytometry定量分析。他们通过精确调控循环水系统的流量状态,在两个不同时间段严密跟踪了betI-AbacI-A两类微生物的相对和绝对数量的变化情况。实验结果表明:微生物的相对和绝对数量变化情况并不始终一致。如图所示,在第一次实验(Survey1)的启动阶段(start-up),betI-AbacI-A的相对丰度随在启动初期明显上升,但随后的变化并不明显。然而,二者的绝对数量呈现出明显的先升后降趋势(如图中虚线框所示)。在第二次实验(Survey2)的运行后半程(operation),betI-A微生物的相对数量从约40%显著提升到90%,然而绝对数量并没有明显提高(如图中虚线标示)。该结果表明,betI-A微生物相对丰度的提升很可能是由其余类群微生物衰退或受到抑制而产生的“表观富集”假象。文章对现有的几种绝对定量方法也做了简要评述。例如,qPCR是目前普遍应用的定量方法,需要注意的是:(1qPCR过程所使用的DNA样品正是测序所用的DNA样品,因此二者可能有相同的实验室误差;(2qPCR的灵敏度较低,对于102以内的差别往往不够准确。

  这项研究的出发点朴实,结果很有说服性,即仅从测序结果并不能全面了解微生物种群变化。原因很简单:基因测序只给出某个物种在种群中的相对丰度(relativeabundance),而相对丰度与绝对数量(absolutequantity)之间往往没有相关性。这里需要强调的是,相对数量和绝对数量都很重要。目前分子生物学技术并不完善,我们尚不能全面和准确的了解种群中每个个体的原位功能。因此,此时应尽可能兼顾相对和绝对定量,特别是针对那些可能发挥重要作用的个体(群)。


对环境工程的意义

放眼未来十年,我们将处于分子生物学技术大革新的时代,新技术已经或者即将不断涌现。我们一方面要努力寻求有效的分子手段来深入解释反应器的种种现象。另一方面,要摒弃唯高新技术论的思想,不应盲目信从单一检测技术所带来的结果,而是应该做到“种群结构-代谢途径-反应器运行状态”三者的信息相辅和相符。

原文下载地址:http://www.nature.com/ismej/journal/vaop/ncurrent/full/ismej2016117a.html




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