在极端环境中研究微生物的先进技术

Advanced techniquesfor studying microorganisms in extreme environments

作者：Étienne Yergeau

出版：DE GRUYTER

索书号：Q93-3/A244/2019/Y

ISBN: 978-3-11-052464-2

藏书地点：武大外教中心

什么是极端环境?对人类来说，极端环境可能相当于那些不能让我们正常舒适生活的地方，比如海底海洋、南极和极端炎热的沙漠中部。对于微生物来说，则有所不同。温带土壤在春季每天都要经历冻融循环，可能比加拿大北部的永久冻土更为极端，否则对微生物来说受人类不断干扰的非极端环境，温度可能变得极端(参见第4章的例子)。

但是，对极端环境下的微生物的研究与对温带环境下的微生物的研究有根本的不同吗?在大多数情况下，可能没有，本书中介绍的技术也可能适用于其他环境。然而，极端环境确实有一些特点。首先，与其他类型的微生物栖息地相比，它们通常没有得到很好的研究，这使得仅依靠分子技术识别基因和分类群变得更加困难。这并没有阻止许多研究人员在极端环境中进行这种基于分子的研究，正如Cowan及其同事在第五章中所回顾的那样。同样，在第6章中，Tremblay描述了一个模块化的分析管道，可以分析任何类型的测序数据，并且可以接受大多数数据库进行注释。这种方法被成功地用于表征极端环境中的微生物群落，如冰、北极土壤和极度污染的土壤，但也被证明对非极端环境中的微生物群落有用。正如Marcolefas及其同事在第一章中全面回顾的那样，先进的分离技术可能有助于通过对分离的“极端”微生物进行更多的研究来弥补上述差距。分离和鉴定也是在工业环境中使用这些微生物的先决条件。事实上，在第三章中，舒尔茨和罗萨多表明，极端环境几乎是微生物、基因和蛋白质的不可磨灭的来源，这些微生物、基因和蛋白质具有各种行业所需的特征。

温带环境和极端环境之间的另一个关键区别是，后者的环境往往是如此极端，以至于从环境基质中提取分子和微生物可能变得具有挑战性。在第2章中，Choe和Lee扩展了研究岩石中微生物及其栖息地的技术，并表明即使这些微生物也可以使用来自物理和生物科学的现代技术进行研究。人们还可以想象，极端盐或pH值的环境可能会给使用传统方法提取核酸或其他分子带来挑战。

在全球气候变化的时代，我们有必要了解多样性的驱动因素，极端环境可以作为模型在第7章中，Moroenyane和Yergeau回顾了在极端环境中研究微生物的可用统计技术，重点是理解微生物多样性。

在本书的第一章节，主要介绍了先进的微生物培养方法和它们在低温环境中的适用性。尽管现代科学取得了重大进展，但“大板块异常”——119年前首次观察到的微生物学的一个基本限制——仍然存在目前尚无定论 “大板块异常”一词是由科诺普卡于1985年提出，指的是赠与者体内细菌细胞总数的差异与在人工培养基上能培养多少相比。据估计，使用传统的培养技术可以分离出生物圈中总微生物物种的0.1%至1%。这是微生物的限制培养源于许多促成因素，例如缺乏特定的营养，不适当的孵育温度，不适当的pH值或渗透条件缺氧，含氧量不正常，缺少合成器官分泌的生长因子，或其任何组合。16S rRNA基因测序的发展使人们认识到可培养微生物的部分并不能准确代表原生环境的群落。这在物种的多样性和丰度方面都是成立的。相反，能够在人工培养基上生长的微生物代表了最适合实验室条件的种型。尽管不依赖于培养的分子方法大大提高了我们对微生物多样性和生态系统组成的认识，但培养微生物的必要性仍然盛行。为了更好地了解微生物的生理和生态作用，并建立生物技术应用，需要培养。微生物学的一些突破性发现在很大程度上依赖于微生物培养。其中包括革命性的生物制药发现(如青霉素、链霉素)、农业应用(如苏云金芽孢杆菌杀虫菌株的使用)和分子突破(如古细菌中有规律间隔的短回文重复序列的发现)。对于生活在极端寒冷环境(低温环境)中的冷适应微生物，培养的重要性尤其明显。研究冷适应微生物的主要动机包括了解生命的低温极限，确立它们在天体生物学中的意义，以及利用它们的分子资源进行生物技术应用。所有这些研究领域本质上都依赖于微生物培养和分离。超过75%的地球由低温环境(15°C)组成。因此，相当一部分陆地微生物生物量是在<5°C的温度下产生的。低温环境是指缺乏可用的液态水。没有液态水就不可能介导生化反应、进行分子转座子，也不可能提供必要的渗透梯度。在低温环境中，大多数可用的液态水的存在仅仅是因为不同的溶质——典型的是NaCI——降低了冰点。因此，大多数嗜冷微生物也是嗜盐的，因为渗透耐受性扩大了它们在零下温度下的生存。其中一个例子包括嗜盐嗜冷Planococcus halocryophilus Or1，这是一种需氧革兰氏阳性球虫菌株，最初是从北极高纬度活动层永久冻土中分离出来的。该分离物可在-15°C下生长，在-25°C下保持代谢活性，并能承受高达19% NaCl的高盐度暴露。值得注意的是，如果没有对该菌株的分离和培养，这一发现是不可能的。

在后续的章节中，也分别详细介绍了岩屑微生物群落分析、极端环境微生物在生物技术应用中的应用等内容。每个章节都引用了大量的参考文献，论述内容十分详实，同时举了大量的例子帮助读者了解前沿技术，在论述的过程中有理有据，不仅能够帮助读者巩固相关的基础知识，同时能够为读者普及相关领域的研究进展和应用，结构和内容都十分充实合理。

这本书将帮助学生和成熟的研究人员了解最先进的技术，当应用它们来研究极端环境中的微生物时，将会联想到更多的方法。因此，十分推荐相关领域的学生和研究人员阅读。

非常值得阅读。

本书目录：

前言

第一部分 生命的物理背景

前言

作者

1 先进的微生物培养方法及其应用低温环境的适用性

1.1介绍

1.2扩散室

1.3微生物陷阱

1.4隔离芯片

1.5培养皿

1.6中空纤维膜室

1.7凝胶微滴

1.8原位栽培尖端

1.9土壤基质膜系统

1.10低温环境的适用性

1.11结束语

参考文献

2岩屑微生物群落分析

2.1介绍

2.1.1石器栖息地及其地质

2.1.2岩屑微生物的分布和多样性

2.1.3评估岩石微生物群落的传统方法

2.2岩屑微生物群落分析方法

2.2.1岩石取样

2.2.2x射线荧光光谱(XRF)分析

2.2.3电感耦合等离子体质谱计

2.2.4汞侵入孔隙度测定法

2.2.5x射线微聚焦计算机断层扫描(x射线μ-CT)的孔隙结构分析

2.2.6PCR扩增和测序

2.2.7统计分析

2.3结束语

参考文献

3极端环境微生物在生物技术应用中的应用

3.1介绍

3.2嗜极微生物的潜力:寻找生物产品及其生物技术应用

3.2.1嗜热菌和超嗜热菌

3.2.2嗜冷微生物

3.2.3嗜酸菌

3.2.4嗜碱微生物

3.2.5嗜压电器

3.2.6抗放射性的

3.3方法和新趋势

3.4结论

参考文献

4 人力资源结合微生物和植物分析，了解人为极端环境对自然和农业系统的影响

4.1人类活动导致极端环境的产生

4.1.1人类对植物系统干扰的例子

4.1.2微生物影响植物群落和表型

4.1.3植物育种和植物与微生物的关系

4.2在人类改变的生境中研究植物-微生物相互作用的考虑-

4.2.2沿着人工或自然干扰梯度的调查

4.2.3有针对性的操纵实验 田间土壤微生物群落和植物表型评估技术

4.2.4通过微生物组移植实验研究土壤微生物迁移的影响

4.3植物和相关微生物组的分析

4.3.1直流植物相关微生物组分析

4.3.2植物表型分析

4.4结束语

参考文献

5极端环境的宏基因组学:方法和应用

5.1介绍

5.2宏基因组DNA提取

5.2.1在极端环境中直接提取dna

5.2.2间接提取dna

5.3微生物多样性分析:系统发育学

5.3.1上游分析

5.3.2多样性分析

5.3.3软件

5.4结合噬菌体

5.4.1病毒样颗粒提取或富集

5.4.2核酸酶治疗

5.4.3核酸提取与扩增

5.5重新组装宏基因组(以基因组为中心的方法)

5.6探索宏基因组的功能生态学

5.6.1生物信息学管道在功能预测中的应用能力

5.6.2基因微阵列在功能生态学中的应用

5.7应用(功能)宏基因组学

5.7.1宏基因组文库建设

5.7.3表达宿主

5.7.4活性测定

5.8结论和观点

参考文献

6环境基因组学中生物信息学数据挖掘的实践概述

6.1介绍

6.2数据类型

6.3实验设计

6.4短rRNA基因扩增子

6.5宏基因组霰弹枪测序

6.6超转录组霰弹枪测序

6.7附加说明

6.7.1注释的挑战

6.7.2管道包装

6.8未来的发展方向

参考文献

7在极端环境中量化微生物多样性的技术和方法

7.1总结

7.2介绍

7.3目前用于定量土壤微生物多样性的方法环境

7.3.1微生物分子遗传标记

7.3.2测量本地物种池和跨站点的周转率

7.3.3测量功能概况和微生物相互作用-

7.3.4极端土壤的系统发育多样性及其推断

7.4结论

参考文献

索引

胡萌欣  武大生科院 博士研究生