環(huán)境微生物群落結(jié)構(gòu)與功能多樣性研究方法

邢少峰

(呼和浩特職業(yè)學(xué)院 內(nèi)蒙古呼和浩特 010000)

微生物作為一種低等級的生物,同時也承擔著最終分解者的角色,對自然環(huán)境和生態(tài)有著十分重要的影響。眾所周知,微生物是以一種群落形式而存在,因而研究微生物的群落結(jié)構(gòu)和群落之間的分布狀況十分有意義。從微生物群落的生態(tài)特征的兩個維度——結(jié)構(gòu)特征和功能特征出發(fā),探討微生物群落的特性和主要功能,是研究微生物的重要突破口。微生物群落的行為,與與宿主或環(huán)境的相互作用都具有十分重大的研究價值。

1 微生物群落結(jié)構(gòu)特征和魯棒性

微生物群落的種群多樣性是微生物群落最重要的特征之一,也是生態(tài)學(xué)研究的重點,通過對微生物群落的種群多樣性研究,確定微生物群落的基本結(jié)構(gòu)特征。其中,最主要是研究環(huán)境微生物群落結(jié)構(gòu)和魯棒性,這是研究微生物群落生態(tài)功能的基礎(chǔ)。

1.1 結(jié)構(gòu)特征

微生物群落的結(jié)構(gòu)特征是微生物群落研究中最有價值的東西之一,主要是通過研究微生物群落的組成種類及其豐度,來確定其結(jié)構(gòu)與特征[1]。眾所周知,微生物是地球環(huán)境的最終分解者,是維護生態(tài)平衡的重要力量。然而在對微生物的研究方面,傳統(tǒng)的試驗方法只能培養(yǎng)出大約10%的微生物種類,對于大多數(shù)的微生物不能通過培養(yǎng)的方式進行研究,這就使得研究的范圍十分有限。采用微生物群落結(jié)構(gòu)與功能多樣性研究就可以打開新的突破口,這種方式不拘泥于傳統(tǒng)的培養(yǎng)方式,將微生物群落置于宿主存在的自然環(huán)境中,通過系統(tǒng)分析微生物群落結(jié)構(gòu)的方式,來了解其結(jié)構(gòu)特征。

1.2 魯棒性

微生物群落的魯棒性是微生物群落最主要的特性之一,它主要指的是微生物群落結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,即當為生物群落受到外界干擾時,如何繼續(xù)穩(wěn)定的發(fā)揮群落的固有功能。一般來說,生物的魯棒性主要是通過整個系統(tǒng)之中的各個部分來表現(xiàn)的,即生物的細胞、分子、器官等等都具有魯棒性[2]。生物系統(tǒng)所處的環(huán)境在不斷變化,然而在生物系統(tǒng)內(nèi)部的環(huán)境卻相對穩(wěn)定,生物在各種環(huán)境中都能夠逐漸適應(yīng),這是其魯棒性的最重要體現(xiàn)。魯棒性對于維持系統(tǒng)的功能性有著重要作用,當系統(tǒng)結(jié)構(gòu)受到損傷之時,由于魯棒性的存在,系統(tǒng)的行為不會發(fā)生大的變化,只會發(fā)生微小的改變。微生物群落的魯棒性主要表現(xiàn)在兩個方面,一是結(jié)構(gòu)魯棒性,即微生物群落內(nèi)部的結(jié)構(gòu)都是相對穩(wěn)定的,一個群落在一定時期內(nèi)受外界的影響不大,穩(wěn)定性能良好;二是功能魯棒性,微生物群落發(fā)揮著其固有的功能,不會因為外界環(huán)境的變化發(fā)生大的改變。

2 微生物群落的研究方法

微生物群落研究是當前生物領(lǐng)域的新興研究,目前所取得的成果較為有限,主要是通過分離微生物的方法將微生物與宿主的相互作用割裂開來,這種研究方式不僅效果不理想而且在研究中容易發(fā)生方向性的錯誤,采用新的研究方式十分重要。群落結(jié)構(gòu)與功能多樣性解決了這一難題。

2.1 群落組成

微生物是以群落的形式存在,這是微生物的基本組成方式,也是微生物發(fā)揮其基本功能的前提和基礎(chǔ)。而傳統(tǒng)的研究方法認為,研究微生物的特征需要將微生物與其宿主的相互作用之中分離出來,通過培養(yǎng)的方式來實現(xiàn),這種方法目前僅適用于10%左右的微生物種類[3]。此外,還有一中不依賴于培養(yǎng)微生物的方法,即16SrRNA分析為基礎(chǔ)研究方法,通過對微生物進行分類和標記,確定微生物的種類和群落?；谖⑸锶郝浣Y(jié)構(gòu)的研究方法將微生物置于其固有的生存環(huán)境中,通過系統(tǒng)分析的方式,將微生物與宿主之間的相互作用表現(xiàn)出來,從而研究微生物的群落結(jié)構(gòu)。這種方式能夠清晰的顯示微生物群落的組成及結(jié)構(gòu)方式,以及對周圍生態(tài)的影響。

2.2 物種功能

微生物群落對自然界的作用和影響是研究微生物群落的出發(fā)點和最終目的。傳統(tǒng)方法建立在微生物的生理學(xué)基礎(chǔ)之上的,通過研究微生物群落的生理代謝特點,研究其功能,采用富集培養(yǎng)的方法,通過對生物的參與發(fā)酵物與生成物之間的聯(lián)系,分析微生物群落在這一過程之中的作用。另一種方法是采用元基因組學(xué)。通過基因工程克隆微生物DNA,通過對微生物的主要功能及其形狀進行序列分析,以確定微生物群落的物種功能。此外還有穩(wěn)定同位素探針。通過穩(wěn)定同位素的方法,確定與微生物有著穩(wěn)定關(guān)系的群落有著何種功能,以判定該種微生物群落功能。

3 結(jié)語

微生物的群落特征是微生物最重要的特征,在傳統(tǒng)的微生物培養(yǎng)方式效果不突出的前提下,研究微生物的群落結(jié)構(gòu),以其群落特征為突破口,探究多樣性的研究方法,是未來微生物研究的方向,也是促進微生物研究發(fā)展的重要方式。

[1]李慧,何晶晶,張穎.宏基因組技術(shù)在開發(fā)未培養(yǎng)環(huán)境微生物基因資源中的應(yīng)用[J].生態(tài)學(xué)報,2009(4):1762-1773.

[2]楊永華,姚健.農(nóng)藥污染對土壤微生物群落功能多樣性的影響[J].微生物學(xué)雜志,2010(2):23-25.

[3]羅海峰,齊鴻雁,薛凱等.PCR-DGGE技術(shù)在農(nóng)田土壤微生物多樣性研究中的應(yīng)用[J].生態(tài)學(xué)報,2013(8):1570-1575.