探析高通量測序在環(huán)境微生物學(xué)中的應(yīng)用

陳雨菲 王森

摘 要：在一個生態(tài)系統(tǒng)中，最為充滿活力的結(jié)構(gòu)和功能單位當(dāng)屬微生物的群落，其數(shù)量之多，種類之多是生態(tài)系統(tǒng)中絕大多數(shù)群落所無法比擬的。所以研究和探索豐富多彩的微生物群落的結(jié)構(gòu)和生存能推動對生態(tài)系統(tǒng)的探知。對微生物群落進(jìn)行研究的技術(shù)也在微生物學(xué)快速發(fā)展的進(jìn)程中不斷的創(chuàng)新進(jìn)步，高通量測序就是當(dāng)下對微生物群落進(jìn)行研究的一種十分有效的方式。通過這種科研技術(shù)能夠在一次測序中得到很多條不同的基因序列，這對科研的效率是極大的提高，所以高通量測序的技術(shù)在環(huán)境微生物學(xué)中的應(yīng)用十分廣泛，受到業(yè)內(nèi)專業(yè)人士的高度追捧。本文對高通量測序及其應(yīng)用進(jìn)行了簡要的闡述。

關(guān)鍵詞：高通量測序；環(huán)境微生物學(xué)；技術(shù)應(yīng)用

1 高通量測序

1.1 發(fā)展歷史

社會發(fā)展推動著科學(xué)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，對于基因測序技術(shù)的創(chuàng)新也在不斷的探索創(chuàng)新中取得了很大進(jìn)步。每一種測序的技術(shù)均可以使科學(xué)家們在研究環(huán)境微生物時將研究的基礎(chǔ)建立在基因的基準(zhǔn)上，以此為基準(zhǔn)，研究的透徹度更加大，科研的難度也更小。在20世紀(jì)的70年代中，有一種名為Sanger測序法的技術(shù)出現(xiàn)，但是這種技術(shù)從誕生開始在實(shí)際的科研工作中并沒有更大的進(jìn)步和發(fā)展，這主要是被這種方法本身測序成本高、通量低的弊端所制約。但是，這種技術(shù)依然是90年代到現(xiàn)在被延續(xù)使用的測序基礎(chǔ)技術(shù)之一。對于人類基因?qū)W科的發(fā)展，這種落后的測序技術(shù)顯然是無法滿足現(xiàn)在人們對龐大基因序列進(jìn)行分析研究的要求，于是，新興的測序技術(shù)也逐漸浮出水面——高通量測序。這種技術(shù)每次都能通過分析獲得幾十萬甚至于幾百萬條的基因序列，因此被稱作高通量。它具有成本較低，通量很高的優(yōu)點(diǎn)。

1.2 高通量測序的特點(diǎn)

1.2.1 通量高

在現(xiàn)在的科學(xué)技術(shù)中，一臺正常運(yùn)轉(zhuǎn)高通量測序技術(shù)的機(jī)器在兩周內(nèi)生產(chǎn)出360G的基因序列數(shù)據(jù)并不是一件困難的事情。

1.2.2 測序的準(zhǔn)確率很高

高通量測序技術(shù)在進(jìn)行測序時得到的數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確率在98.5%以上，較高的準(zhǔn)確率能夠把多聚重復(fù)基因序列造成的讀取困難的問題進(jìn)行比較高效的解決。

1.2.3 測序成本低

高通量測序之所以能夠被更廣泛的應(yīng)用其一個重要原因就是這種技術(shù)在應(yīng)用時所需要的成本低于原有的傳統(tǒng)測序方式，如Sanger測序，前者的成本低于后者約1%。

1.2.4 基因序列的讀取長度較長

技術(shù)的不斷發(fā)展使得高通量測序技術(shù)在讀取DNA序列時所能達(dá)到的長度越來越長，現(xiàn)有技術(shù)下，讀取單條基因序列的長度最高可以到達(dá)150bp的程度。

1.2.5 可進(jìn)行Pair-end雙向測序

高通量測序的技術(shù)結(jié)合Pair-end雙向測序的技術(shù)，后者的基因文庫中可以插入150bp到10kp大小范圍內(nèi)的基因片段。若能正確合理的決定插入到文庫中的片段將能夠?qū)Ω咧貜?fù)序列基因組進(jìn)行更為高效的組合，這種技術(shù)的結(jié)合更開拓了高通量測序技術(shù)實(shí)際可以應(yīng)用的范圍，推動了其發(fā)展。

2 高通量測序在環(huán)境微生物學(xué)中的應(yīng)用

將高通量測序的技術(shù)應(yīng)用于某一范圍內(nèi)的土壤區(qū)域或某一個生物膜中，可以檢測出這一區(qū)域中所含有的各種菌類及其結(jié)構(gòu)組成，進(jìn)而可以分析研究這一區(qū)域內(nèi)的所生存的微生物物種的多樣性。并且通過高通量測序，還可以清晰的了解到微生物群落的分布、結(jié)構(gòu)和組成然后將所得結(jié)果與環(huán)境微生物所具有的生物活性、營養(yǎng)轉(zhuǎn)化等多種微生物的理化性質(zhì)結(jié)合，進(jìn)行更為深入的探究，能推動微生物功能方面的研究，了解其功能的多樣性。

這種應(yīng)用在我國有很多實(shí)例，例如張彩霞等人。他們對甘肅各地域的不同土壤的環(huán)境條件進(jìn)行探究，通過高通量測序等方式的綜合利用，分析對照所得數(shù)據(jù)，他們發(fā)現(xiàn)了在土壤逐漸由天然荒漠向各種不同類型的土壤發(fā)生轉(zhuǎn)變的時候，微生物群落的數(shù)量經(jīng)歷了多→少→多的進(jìn)程。坦然荒漠土壤中約96%的微生物在這場變化中受到了抑制，生長緩慢。約總數(shù)4%的微生物卻在變化的次生演變中生長的速度得到促進(jìn)，大量繁殖。以上數(shù)據(jù)證明在土地演變過程中，微生物群落的結(jié)構(gòu)會受到很大的影響。

Michaela等人探究森林凋謝物和森林土壤，為了得到其中微生物的群落分布和結(jié)構(gòu)，采取了高通量測序的技術(shù)對28個地點(diǎn)的樣本測序、分析。經(jīng)過數(shù)據(jù)對比，得出了森林凋謝物和土壤中的微生物群落有著相互區(qū)別的結(jié)構(gòu)。進(jìn)一步研究表明，在這些微生物群落中，細(xì)菌具有比真菌更為豐富的多樣性。并且，在森林凋謝物中，細(xì)菌群落所表現(xiàn)出的均勻度更為突出。同時，通過研究還發(fā)現(xiàn)，不論森林凋謝物還是森林土壤中，樹木的種類都對微生物群落的分布和結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了顯著的影響，一定程度上，樹木的種類可以起到引導(dǎo)微生物群落結(jié)構(gòu)變化的作用。

3 高通量測序技術(shù)的未來發(fā)展

現(xiàn)如今，高通測序技術(shù)正在快速發(fā)展、突破，核算序列測定的速度和其測定所需要耗費(fèi)的成本之間的比值，在這個背景之下在以一個巨大的幅度增加。所以，未來環(huán)境微生物學(xué)的科研工作中，全基因組序列的測定技術(shù)必然會逐漸的成為每位微生物學(xué)家在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行科研時普遍使用的常規(guī)研究技術(shù)。高通量測序技術(shù)衍生出了的兩種學(xué)科：基因組學(xué)和轉(zhuǎn)錄組學(xué)。這兩種學(xué)科的發(fā)展和革命，將為環(huán)境微生物學(xué)的進(jìn)一步變革發(fā)展打下堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。隨著測序技術(shù)的發(fā)展，研究所得的數(shù)據(jù)信息量越來越龐大，需要更先進(jìn)的統(tǒng)計(jì)方法和數(shù)據(jù)處理、分析軟件來適應(yīng)測序技術(shù)的快速發(fā)展。

4 結(jié)語

當(dāng)下的高通測序技術(shù)依然是雛鷹一般的稚嫩，有著巨大的發(fā)展空間。可以看出的是，在這一類測序技術(shù)的成本下降、通量持續(xù)增大是未來的發(fā)展趨勢?？蒲泄ぷ髡呖梢酝ㄟ^更少的代價得到更多有利于推動學(xué)科研究的數(shù)據(jù)，分析處理后必然將為基因類學(xué)科的發(fā)展提供更多的動力。

參考文獻(xiàn)

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（作者單位：河海大學(xué)）