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        探析高通量測(cè)序在環(huán)境微生物學(xué)中的應(yīng)用

        2017-05-30 10:48:04陳雨菲王森
        科技尚品 2017年7期
        關(guān)鍵詞:高通量測(cè)序技術(shù)應(yīng)用

        陳雨菲 王森

        摘 要:在一個(gè)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(wú)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(dòng)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的探知。對(duì)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(cè)序就是當(dāng)下對(duì)微生物群落進(jìn)行研究的一種十分有效的方式。通過(guò)這種科研技術(shù)能夠在一次測(cè)序中得到很多條不同的基因序列,這對(duì)科研的效率是極大的提高,所以高通量測(cè)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(duì)高通量測(cè)序及其應(yīng)用進(jìn)行了簡(jiǎn)要的闡述。

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

        1 高通量測(cè)序

        1.1 發(fā)展歷史

        社會(huì)發(fā)展推動(dòng)著科學(xué)技術(shù)的蓬勃發(fā)展,對(duì)于基因測(cè)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(cè)序的技術(shù)均可以使科學(xué)家們?cè)谘芯凯h(huán)境微生物時(shí)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(cè)序法的技術(shù)出現(xiàn),但是這種技術(shù)從誕生開(kāi)始在實(shí)際的科研工作中并沒(méi)有更大的進(jìn)步和發(fā)展,這主要是被這種方法本身測(cè)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(cè)序基礎(chǔ)技術(shù)之一。對(duì)于人類基因?qū)W科的發(fā)展,這種落后的測(cè)序技術(shù)顯然是無(wú)法滿足現(xiàn)在人們對(duì)龐大基因序列進(jìn)行分析研究的要求,于是,新興的測(cè)序技術(shù)也逐漸浮出水面——高通量測(cè)序。這種技術(shù)每次都能通過(guò)分析獲得幾十萬(wàn)甚至于幾百萬(wàn)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(cè)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(tái)正常運(yùn)轉(zhuǎn)高通量測(cè)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(cè)序的準(zhǔn)確率很高

        高通量測(cè)序技術(shù)在進(jìn)行測(cè)序時(shí)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(wèn)題進(jìn)行比較高效的解決。

        1.2.3 測(cè)序成本低

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

        1.2.4 基因序列的讀取長(zhǎng)度較長(zhǎng)

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

        1.2.5 可進(jìn)行Pair-end雙向測(cè)序

        高通量測(cè)序的技術(shù)結(jié)合Pair-end雙向測(cè)序的技術(shù),后者的基因文庫(kù)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(kù)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(kāi)拓了高通量測(cè)序技術(shù)實(shí)際可以應(yīng)用的范圍,推動(dòng)了其發(fā)展。

        2 高通量測(cè)序在環(huán)境微生物學(xué)中的應(yīng)用

        將高通量測(cè)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(gè)生物膜中,可以檢測(cè)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(guò)高通量測(cè)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(yíng)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(dòng)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(guó)有很多實(shí)例,例如張彩霞等人。他們對(duì)甘肅各地域的不同土壤的環(huán)境條件進(jìn)行探究,通過(guò)高通量測(cè)序等方式的綜合利用,分析對(duì)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(shí)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(chǎng)變化中受到了抑制,生長(zhǎng)緩慢。約總數(shù)4%的微生物卻在變化的次生演變中生長(zhǎng)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(guò)程中,微生物群落的結(jié)構(gòu)會(huì)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(cè)序的技術(shù)對(duì)28個(gè)地點(diǎn)的樣本測(cè)序、分析。經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)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(shí),通過(guò)研究還發(fā)現(xiàn),不論森林凋謝物還是森林土壤中,樹(shù)木的種類都對(duì)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(shù)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(cè)序技術(shù)的未來(lái)發(fā)展

        現(xiàn)如今,高通測(cè)序技術(shù)正在快速發(fā)展、突破,核算序列測(cè)定的速度和其測(cè)定所需要耗費(fèi)的成本之間的比值,在這個(gè)背景之下在以一個(gè)巨大的幅度增加。所以,未來(lái)環(huán)境微生物學(xué)的科研工作中,全基因組序列的測(cè)定技術(shù)必然會(huì)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(shí)普遍使用的常規(guī)研究技術(shù)。高通量測(cè)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(cè)序技術(shù)的發(fā)展,研究所得的數(shù)據(jù)信息量越來(lái)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(lái)適應(yīng)測(cè)序技術(shù)的快速發(fā)展。

        4 結(jié)語(yǔ)

        當(dāng)下的高通測(cè)序技術(shù)依然是雛鷹一般的稚嫩,有著巨大的發(fā)展空間??梢钥闯龅氖?,在這一類測(cè)序技術(shù)的成本下降、通量持續(xù)增大是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)??蒲泄ぷ髡呖梢酝ㄟ^(guò)更少的代價(jià)得到更多有利于推動(dòng)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(dòng)力。

        參考文獻(xiàn)

        [1]王紹祥,楊洲祥,孫真,等.高通量測(cè)序技術(shù)在水環(huán)境微生物群落多樣性中的應(yīng)用[J].化學(xué)通報(bào),2014,77(3):196-203.

        [2]秦楠,栗東芳,楊瑞馥.高通量測(cè)序技術(shù)及其在微生物學(xué)研究中的應(yīng)用[J].微生物學(xué)報(bào),2011,51(4):445-457.

        [3]蔡元鋒,賈仲君.基于新一代高通量測(cè)序的環(huán)境微生物轉(zhuǎn)錄組學(xué)研究進(jìn)展[J].生物多樣性,2013,21(4):401-410.

        (作者單位:河海大學(xué))

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