高通量技術(shù)在微生物培養(yǎng)中的應(yīng)用進(jìn)展及分子測(cè)序?qū)Ρ确治?/h1>
2020-09-06 14:05:19劉瑩韓錳王文磊馬成玉張沛
安徽農(nóng)業(yè)科學(xué) 2020年15期 關(guān)鍵詞：微生物
劉瑩 韓 錳 王文磊 馬成玉 張沛
摘要高通量技術(shù)是以微型生物反應(yīng)器為操作平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)生物細(xì)胞的分離培養(yǎng)和分子測(cè)序。通過著重分析幾種實(shí)用型高通量技術(shù)在微生物分離培養(yǎng)及分子測(cè)序中的應(yīng)用進(jìn)展，發(fā)現(xiàn)微包埋技術(shù)在高通量試驗(yàn)中的研究及應(yīng)用較為深入;而對(duì)不同環(huán)境菌樣的分離培養(yǎng)中，海洋微生物方面的應(yīng)用最為突出。另外，通過對(duì)比高通量分子測(cè)序技術(shù)可以發(fā)現(xiàn)，Illumina 測(cè)序法的平均測(cè)序速度最快;單分子測(cè)序法所得數(shù)據(jù)的精確度最高，測(cè)序讀長(zhǎng)最長(zhǎng)，周期相對(duì)最短。最后，對(duì)高通量技術(shù)在微生物學(xué)應(yīng)用中的一些不足進(jìn)行總結(jié)，并提出假設(shè)性解決方法。
關(guān)鍵詞微生物;高通量技術(shù);分離培養(yǎng);分子測(cè)序
中圖分類號(hào)Q93文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào)0517-6611（2020）15-0016-04
doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.15.005
開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：
Application Progress of Highthroughput Technology in Microbial Culture and Comparative Analysis of Molecular Sequencing
LIU Ying1， HAN Meng2， WANG Wenlei3 et al
（1.Henan Center for Supervision & Inspection of Grain，Oil and Feed Product Quality，Zhengzhou，Henan 450001;2.National Key Laboratory of Crop Genetic Improvement， Huazhong Agricultural University， Wuhan，Hubei 430070;3.Nanjing Argricultural University，Nanjing，Jiangsu 210095）
AbstractHighthroughput technology is based on microbioreactor to realize the separation， culture and molecular sequencing of biological cells. According to the analysis of the application of several practical highthroughput techniques in microbial isolation and culture， it was found that the micro encapsulation technology was deeply studied and applied in highthroughput experiments. The application of marine microorganism is the most prominent in the isolation and culture of bacteria samples from different environments. In addition， by comparing the highthroughput molecular sequencing technique， we can find that the Illumina sequencing method has the fastest average sequencing speed， and the single molecule sequencing method has the highest accuracy， the longest reading length and the shortest cycle. Finally， we summarized the shortcomings of highthroughput technology in microbiology， and proposed hypothetical solutions.
Key wordsMicroorganism;Highthroughput technology;Isolation and culture;Molecular sequencing
基金項(xiàng)目國(guó)家自然基金青年項(xiàng)目（31701121）;河南省科技公關(guān)項(xiàng)目（182102310667）;河南省高等學(xué)校重點(diǎn)科研項(xiàng)目計(jì)劃（18A180022）。
作者簡(jiǎn)介劉瑩（1981—），女，河南安陽(yáng)人，工程師，碩士，從事微生物學(xué)以及糧油食品檢驗(yàn)等研究。*通信作者，講師，博士，從事納米生物材料、細(xì)胞免疫學(xué)及腸道微生物學(xué)等研究。
收稿日期2019-09-13
高通量技術(shù)已經(jīng)成為生命科學(xué)領(lǐng)域基礎(chǔ)研究和臨床中被廣泛應(yīng)用的試驗(yàn)技術(shù)之一[1]，其在微生物方面的應(yīng)用包括對(duì)菌株的分離培養(yǎng)和分子鑒定。該方法主要是區(qū)別于傳統(tǒng)培養(yǎng)與鑒定方式，運(yùn)用高通量技術(shù)對(duì)不同環(huán)境下微生物進(jìn)行寬領(lǐng)域、多種類、深層次、高效率的分離培養(yǎng)和分子測(cè)序，有效地保證所分離微生物種類的多樣性、生境的原位性和對(duì)生物信息測(cè)定的準(zhǔn)確性。在分離培養(yǎng)方面，高通量已成功實(shí)現(xiàn)單細(xì)胞分離培養(yǎng)、模擬微生物原有生境的微生物原位富集培養(yǎng)以及對(duì)空氣中的微生物和一些環(huán)境耐受力弱或含量低的微生物的分離純化培養(yǎng)等;在分子測(cè)序方面，基于單分子簇的邊合成邊測(cè)序技術(shù)（SBS）和特有可逆終止化學(xué)反應(yīng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)生物基因的快速測(cè)序[2-3]。主要通過對(duì)高通量分離培養(yǎng)及測(cè)序技術(shù)研究進(jìn)行綜述，以期為高通量技術(shù)在微生物學(xué)和遺傳學(xué)的深入探究提供有益參考。
1微生物高通量培養(yǎng)的分類
傳統(tǒng)微生物培養(yǎng)技術(shù)是指以平板法實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境微生物分離和純化培養(yǎng)。此方法不但對(duì)菌種的分離效率低，而且對(duì)菌體生境改變較大，更無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)拮抗型菌落和弱勢(shì)菌體的單個(gè)分離純化。高通量培養(yǎng)不僅解決了上述問題，而且可對(duì)微生物生境中毒害因子進(jìn)行更為深入的探究[4-6]。
在微生物學(xué)試驗(yàn)中，目前常用的高通量培養(yǎng)種類可根據(jù)培養(yǎng)條件、培養(yǎng)環(huán)境以及培養(yǎng)方法，被分為稀釋培養(yǎng)法、微包埋培養(yǎng)法、原位富集培養(yǎng)法三大類，其中原位富集法又可細(xì)分為擴(kuò)散盒高通量培養(yǎng)法、空心纖維膜室培養(yǎng)法、聚氨酯泡沫培養(yǎng)法、基質(zhì)膜法和分離芯片培養(yǎng)法等[7]。
1.1稀釋培養(yǎng)法（多孔板培養(yǎng)法）
稀釋培養(yǎng)法也稱多孔板培養(yǎng)，是采用非侵入的方式利用光學(xué)傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)培養(yǎng)目標(biāo)生長(zhǎng)狀況的監(jiān)控，而孔板中細(xì)胞所處位置將直接影響細(xì)胞的生長(zhǎng)狀態(tài)。常用的細(xì)胞培養(yǎng)板有96孔、48孔、24孔、12孔和6孔等。其中應(yīng)用最為廣泛的是經(jīng)Connon等[8]和Button等[9]改良后形成的48孔平板分離培養(yǎng)法，此法通過對(duì)菌樣進(jìn)行極度稀釋（痕量級(jí)），再注入48孔平板中進(jìn)行培養(yǎng)，可分離培養(yǎng)出菌樣中14%的菌體細(xì)胞，Rappé等[10]在稀釋培養(yǎng)的基礎(chǔ)上又結(jié)合熒光原位雜交技術(shù)（FISH），現(xiàn)已實(shí)現(xiàn)對(duì)0.01 μm3菌體進(jìn)行分離培養(yǎng)。
現(xiàn)行的稀釋培養(yǎng)仍存在著客觀缺陷。首先，由于多孔板中四角受環(huán)境影響最大，常出現(xiàn)細(xì)胞散布不均勻而導(dǎo)致孔板培養(yǎng)位置的喪失。針對(duì)此問題的解決措施有：①直接放棄對(duì)周邊孔使用;②在此類孔中加入培養(yǎng)基或PBS以保護(hù)中間孔免受影響。此外，隨著菌體樣品的稀釋，一些微生物分泌的代謝產(chǎn)物也隨之被稀釋，致使有著共生關(guān)系和群體效應(yīng)關(guān)系的微生物間有益或有害作用均被減弱，也會(huì)使微生物因缺少必要的異源代謝產(chǎn)物出現(xiàn)生長(zhǎng)受抑或直接消亡。
1.2微包埋培養(yǎng)法
微包埋培養(yǎng)是利用高分子材料形成半滲透或密封的微膠囊，后應(yīng)用于微生物包埋、固定化酶和藥物傳遞等領(lǐng)域[11]。在微包埋技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展中，Weaver等[12]最先通過油水乳化法包埋培養(yǎng)微生物和動(dòng)物細(xì)胞;Gift[13]用凝膠微球來(lái)分離慢性生長(zhǎng)的酵母;Benita[11]則對(duì)微球包埋技術(shù)作了較詳細(xì)的介紹;2000年Katsuragi等[14]證明包埋的酵母細(xì)胞可依據(jù)自身熒光性加以分選。至此，微包埋技術(shù)被廣泛應(yīng)用于微生物發(fā)酵、固定化酶及藥物肝毒性的試驗(yàn)研究當(dāng)中，為微生物資源的開發(fā)和利用提供了新途徑。
微包埋培養(yǎng)的前提是微球制備，從微球基材到制備方法，可根據(jù)自身菌體研究的需要進(jìn)行選擇。對(duì)微球選材有以下幾點(diǎn)要求：①基材對(duì)被培養(yǎng)生物無(wú)毒害;②微球穩(wěn)定性高、機(jī)械性強(qiáng);③微球透明度高，便于觀察;④微球的容納量較大（尺寸一般在20～90 μm）;⑤微球?qū)λ囵B(yǎng)微生物的代謝危害物的抵抗力強(qiáng)[15]。常用制備微球的材料有海藻酸銨、卡拉膠、瓊脂、結(jié)冷膠、聚乙烯醇等，若制備的微球穩(wěn)定性能不佳，則可使用殼聚糖作為復(fù)包埋的外圍包覆材料[16]。微囊制備常用方法有乳化法、擠出法、微流體法，其中乳化法包含膜乳化和油水?dāng)嚢枞榛?，擠出法包括高壓靜電法、共軸氣流法、共軸液流法，微流體法包括聚合流法和混沌混合法[17-18]。表1列出了3種不同材料與方法制備的微球性能對(duì)比。
首先，對(duì)選材進(jìn)行對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)選用海藻酸鈉制備微球時(shí)，通過兩相共流法制備的微球性能最佳;當(dāng)選用瓊脂糖制備微球時(shí)，攪拌乳化法和膜乳化法所制備的微球性能皆優(yōu)于兩相共流法;當(dāng)選用結(jié)冷膠制備微球時(shí)，兩相共流法所制備的微球性能最佳。然后，從制備方法進(jìn)行分析，當(dāng)選用攪拌法制備微球時(shí)，利用瓊脂糖制備的微球性能良好;當(dāng)選用兩相共流法制備微球時(shí)，利用結(jié)冷膠所制備的微球性能最佳;當(dāng)選用膜乳化法制備微球時(shí)，選用瓊脂糖制備的微球性能最佳。由此可見，利用結(jié)冷膠所制備微球相比于其他2種材料，其均一性、透明度和機(jī)械穩(wěn)定性更佳，而利用結(jié)冷膠為基材并通過兩相共流法制備的微球質(zhì)量最好。
微包埋培養(yǎng)相對(duì)于稀釋法創(chuàng)造了微生物樣品生存的外部環(huán)境，并且微球上所存在的孔隙允許微生物間的代謝產(chǎn)物或生物分子自由出入。微包埋法既實(shí)現(xiàn)了微生物的單包埋培養(yǎng)，又通過形成的開放體系實(shí)現(xiàn)了對(duì)共生類或群體類等一些較難培養(yǎng)菌種的培養(yǎng)。然而，由于該方法相對(duì)較新穎，基材選擇以及制備技術(shù)上仍存在一些問題，導(dǎo)致其培養(yǎng)優(yōu)勢(shì)還未得到完全發(fā)揮。如所用瓊脂糖作為微球材料，其機(jī)械強(qiáng)度低、透性差，并且需加熱熔解才可完成包埋，這對(duì)于大多數(shù)微生物都存在熱敏感問題[19]。此外，微球包埋法的培養(yǎng)條件與真正的原生態(tài)環(huán)境還有很多差異，均會(huì)影響對(duì)菌樣分離與培養(yǎng)的效果[20]。
1.3原位富集培養(yǎng)法
原位富集培養(yǎng)是在保證生境的原位條件下借助新型培養(yǎng)技術(shù)進(jìn)行微生物富集生長(zhǎng)，再結(jié)合傳統(tǒng)方式以實(shí)現(xiàn)對(duì)微生物分離培養(yǎng)的方法，該法能有效保護(hù)微生物群落間的相互作用。原位富集培養(yǎng)主要包括擴(kuò)散盒培養(yǎng)法、空心纖維膜室培養(yǎng)法、聚氨酯泡沫培養(yǎng)法、基質(zhì)膜法等，在所有原位培養(yǎng)法中擴(kuò)散盒高通量培養(yǎng)法、中空纖維膜室培養(yǎng)法以及分離芯片培養(yǎng)法的研究較為深入[19]。
1.3.1擴(kuò)散盒高通量培養(yǎng)法。
Kaeberlein等[21]設(shè)計(jì)的擴(kuò)散盒高通量培養(yǎng)裝置，由一個(gè)兩側(cè)膠連有厚度為0.03 μm或0.1 μm濾膜的不銹鋼鋼圈構(gòu)成。其中的濾膜可使培養(yǎng)裝置中的化學(xué)成分高效通過，而微生物細(xì)胞則被限于其內(nèi)，擴(kuò)散盒借此可實(shí)現(xiàn)對(duì)菌樣的無(wú)毒培養(yǎng)并能保證培養(yǎng)菌樣間的生物信息傳遞。微生物的擴(kuò)散盒高通量培養(yǎng)具備以下優(yōu)點(diǎn)：①擴(kuò)散盒自身對(duì)微生物細(xì)胞無(wú)毒性;②擴(kuò)散盒不但能夠?yàn)槲⑸锏纳L(zhǎng)提供所需營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和信號(hào)分子等，還可清除有害代謝產(chǎn)物，有效維護(hù)菌落間微生物相互作用。Nichols等[22]發(fā)現(xiàn)在某些環(huán)境中，對(duì)于一些弱勢(shì)菌體經(jīng)過擴(kuò)散盒反復(fù)培養(yǎng)后還可使其擴(kuò)增。但此培養(yǎng)方式尚存一些缺陷：擴(kuò)散盒法操作復(fù)雜且分離效率低，對(duì)微生物的培養(yǎng)和分類不能同時(shí)進(jìn)行。
1.3.2中空纖維膜室培養(yǎng)法。
Aoi等[23]設(shè)計(jì)的中空纖維室膜原位培養(yǎng)裝置是由中空的纖維膜形成一個(gè)單元小室，提供培養(yǎng)所需生境，再將從環(huán)境中提取的微生物樣品稀釋于腔室之中。該法在保證菌樣自然生境前提下，有效阻止各個(gè)小室內(nèi)微生物的進(jìn)出，但對(duì)不同菌落間的生物信息分子無(wú)任何阻礙作用。通過此法不但可分離培養(yǎng)出新的菌型，而且為不同菌類的抗逆性或菌落間的拮抗作用提供了新思路;然而，若要進(jìn)一步增加對(duì)菌樣中菌種分離的準(zhǔn)確性，還必須借助流式細(xì)胞儀。
1.3.3分離芯片培養(yǎng)法。
分離芯片是由聚甲醛材料制成的多孔平板，將平板浸泡于菌樣液中（既可是稀釋后的菌樣液，也可是經(jīng)過微球包埋的菌樣液），待平板上的每個(gè)小孔室中分好菌體細(xì)胞后，覆膜形成密封小室進(jìn)行菌體的原位培養(yǎng)[24]。
2高通量技術(shù)對(duì)不同環(huán)境微生物的應(yīng)用舉例
現(xiàn)有高通量分離培養(yǎng)技術(shù)為各類環(huán)境中微生物的研究提供了廣泛的幫助，但為了更加準(zhǔn)確且具體地展示不同環(huán)境下的微生物高通量培養(yǎng)，該研究從海洋、土壤以及空氣3種生境入手進(jìn)行歸納。
2.1海洋微生物
在對(duì)海洋微生物的高通量分離培養(yǎng)中，稀釋培養(yǎng)法、微包埋法、原位富集培養(yǎng)法都可適用于海洋微生物的培養(yǎng)，其中微包埋法的應(yīng)用最為普遍[7]。但對(duì)海洋微生物研究的方向不同，方法的選擇也會(huì)有所差異。如可分離出新型菌株的方法有稀釋培養(yǎng)法中的48孔平板分離法、微包埋法中的瓊脂微球包埋法以及原位富集培養(yǎng)中的中空纖維膜室培養(yǎng)和分離芯片培養(yǎng)法等，而對(duì)弱勢(shì)菌體的反復(fù)培養(yǎng)則多采用擴(kuò)散盒高通量培養(yǎng)法。通過高通量分離培養(yǎng)技術(shù)對(duì)海洋微生物開展研究，意在加強(qiáng)對(duì)海洋生態(tài)環(huán)境的了解和保護(hù)，同時(shí)為解決水產(chǎn)水質(zhì)問題提供更多有益途徑。
2.2土壤微生物
Yasumotohirose等[25]使用浸取瓊脂培養(yǎng)基的聚氨酯泡沫培養(yǎng)法（PUF）來(lái)培養(yǎng)和分離石油降解菌、鐵載體產(chǎn)生菌以及鐵細(xì)菌等。Gavrish等[26]通過擴(kuò)散盒培養(yǎng)原理實(shí)現(xiàn)了對(duì)土壤中放線菌的分離培養(yǎng)，進(jìn)而廣泛用于抗生素的研發(fā)。Ferrari等[27]將對(duì)擴(kuò)散盒培養(yǎng)法進(jìn)行改良后建立的基質(zhì)膜法（substrate membrane）用于土壤菌的分離，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了對(duì)土壤菌的培養(yǎng)。此外，將土壤微生物制成濃縮菌樣后也可用微包埋法進(jìn)行分離和培養(yǎng)。高通量技術(shù)對(duì)土壤微生物分離培養(yǎng)的應(yīng)用意義在于可開展關(guān)于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中共生菌型、固氮菌等有益菌種的研究，也可對(duì)生活中一些病原微生物的致病機(jī)理和預(yù)防舉措進(jìn)行探索以及開展一些新型抗生素類藥物的研發(fā)等。
2.3空氣微生物
在對(duì)空氣微生物的高通量分離中，Moon[28]通過微流體裝置完成了對(duì)空氣中微生物與粉塵的高通量分離?？山柚鷤鹘y(tǒng)的平板培養(yǎng)法實(shí)現(xiàn)對(duì)不同菌株的培養(yǎng)。在現(xiàn)有的研究中，高通量技術(shù)用于海洋微生物的研究較為深入，已經(jīng)實(shí)踐成功的培養(yǎng)實(shí)例較多，但對(duì)于淡水微生物、土壤微生物、空氣微生物、藥用微生物以及嗜極環(huán)境微生物的高通量培養(yǎng)尚待深入。
3高通量分子測(cè)序技術(shù)對(duì)比分析
若把20世紀(jì)70年代由Frederick Sanger發(fā)明的雙脫氧鏈終止法核酸測(cè)序技術(shù)看作第一代分子測(cè)定技術(shù)，高通量分子測(cè)序技術(shù)則是在此基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的第二代和第三代測(cè)序技術(shù)。其中，常用的二代測(cè)序技術(shù)有Illumina sequencing、AB Solid system sequencing、Ion Torrent sequencing、 Pyro sequenceing等，而第三代測(cè)序技術(shù)主要是Pacific Bio等，利用第二代或者第三代高通量測(cè)序技術(shù)可以更高效地完成生物分子測(cè)序[29-33]。
對(duì)表2進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，第一代分子測(cè)序技術(shù)和第二代高通量測(cè)序技術(shù)測(cè)序速度快、測(cè)序讀長(zhǎng)長(zhǎng)、測(cè)序通量大、準(zhǔn)確度高。對(duì)第二代各類測(cè)序技術(shù)進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)：Illumina 測(cè)序法的平均測(cè)序速度最快，該技術(shù)還可完成對(duì)多聚重復(fù)序列的測(cè)序;AB Solid system測(cè)序法[33]通過復(fù)測(cè)序方式，數(shù)據(jù)的相對(duì)精確度最高;而相對(duì)于前兩代來(lái)說(shuō)，第三代測(cè)序技術(shù)的精確度最高，測(cè)序讀長(zhǎng)最長(zhǎng)，周期相對(duì)最短。另外，所有3代測(cè)序技術(shù)不但可實(shí)現(xiàn)對(duì)微生物基因序列的快速測(cè)定，還可直接對(duì)微生物轉(zhuǎn)錄出的RNApool序列進(jìn)行測(cè)定，測(cè)序數(shù)據(jù)在短時(shí)間內(nèi)即可得到[34]。
4展望
高通量培養(yǎng)技術(shù)的興起為微生物學(xué)、遺傳學(xué)、分子生物學(xué)及藥物靶向作用的研究提供了更為寬廣的應(yīng)用平臺(tái)。但目前現(xiàn)有的高通量培養(yǎng)技術(shù)尚存在完善之處，稀釋培養(yǎng)對(duì)孔板的利用率不高;利用擴(kuò)增盒法無(wú)法實(shí)現(xiàn)新菌型的培養(yǎng);微球材料和制法的不足使應(yīng)用受限。這些局限導(dǎo)致高通量分離培養(yǎng)技術(shù)在對(duì)淡水微生物、土壤微生物以及醫(yī)用微生物的培養(yǎng)應(yīng)用中存在很大欠缺。針對(duì)此類問題，提出一定的假設(shè)性解決方案：①對(duì)于現(xiàn)有的高通量培養(yǎng)缺陷，可通過與傳統(tǒng)培養(yǎng)方式相結(jié)合或開發(fā)新方法來(lái)彌補(bǔ);②對(duì)于淡水微生物的高通量培養(yǎng)，可依照海洋微生物的培養(yǎng)技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)和運(yùn)用，對(duì)于土壤及醫(yī)用微生物的高通量培養(yǎng)則可依據(jù)菌樣的大致種類進(jìn)行針對(duì)性的分種類高通量培養(yǎng)。
高通量技術(shù)不僅成功應(yīng)用于不同環(huán)境的微生物分離與擴(kuò)增，以及大量形態(tài)學(xué)的試驗(yàn)研究，而且還作為新一代測(cè)序技術(shù)來(lái)發(fā)現(xiàn)基因組和轉(zhuǎn)錄組上所有可能的細(xì)微差異，即利用單堿基的精確度去更加深入地理解微生物世界，探尋微生物生存和演化過程中留下的痕跡[35]。總之，通過高通量分離培養(yǎng)技術(shù)，完成對(duì)不同環(huán)境下菌體的純培養(yǎng)，再結(jié)合現(xiàn)有的生物分子測(cè)序技術(shù)，從微生物分類學(xué)到基因組學(xué)再深入到轉(zhuǎn)錄組學(xué)和宏基因組學(xué)等方面。微生物的整體研究將由淺及深，也將更為系統(tǒng)與全面，同時(shí)期待高通量技術(shù)在未來(lái)微生物學(xué)試驗(yàn)中發(fā)揮更大的作用。
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劉瑩 韓 錳 王文磊 馬成玉 張沛
摘要高通量技術(shù)是以微型生物反應(yīng)器為操作平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)生物細(xì)胞的分離培養(yǎng)和分子測(cè)序。通過著重分析幾種實(shí)用型高通量技術(shù)在微生物分離培養(yǎng)及分子測(cè)序中的應(yīng)用進(jìn)展，發(fā)現(xiàn)微包埋技術(shù)在高通量試驗(yàn)中的研究及應(yīng)用較為深入;而對(duì)不同環(huán)境菌樣的分離培養(yǎng)中，海洋微生物方面的應(yīng)用最為突出。另外，通過對(duì)比高通量分子測(cè)序技術(shù)可以發(fā)現(xiàn)，Illumina 測(cè)序法的平均測(cè)序速度最快;單分子測(cè)序法所得數(shù)據(jù)的精確度最高，測(cè)序讀長(zhǎng)最長(zhǎng)，周期相對(duì)最短。最后，對(duì)高通量技術(shù)在微生物學(xué)應(yīng)用中的一些不足進(jìn)行總結(jié)，并提出假設(shè)性解決方法。
關(guān)鍵詞微生物;高通量技術(shù);分離培養(yǎng);分子測(cè)序
中圖分類號(hào)Q93文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào)0517-6611（2020）15-0016-04
doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.15.005
開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：
Application Progress of Highthroughput Technology in Microbial Culture and Comparative Analysis of Molecular Sequencing
LIU Ying1， HAN Meng2， WANG Wenlei3 et al
（1.Henan Center for Supervision & Inspection of Grain，Oil and Feed Product Quality，Zhengzhou，Henan 450001;2.National Key Laboratory of Crop Genetic Improvement， Huazhong Agricultural University， Wuhan，Hubei 430070;3.Nanjing Argricultural University，Nanjing，Jiangsu 210095）
AbstractHighthroughput technology is based on microbioreactor to realize the separation， culture and molecular sequencing of biological cells. According to the analysis of the application of several practical highthroughput techniques in microbial isolation and culture， it was found that the micro encapsulation technology was deeply studied and applied in highthroughput experiments. The application of marine microorganism is the most prominent in the isolation and culture of bacteria samples from different environments. In addition， by comparing the highthroughput molecular sequencing technique， we can find that the Illumina sequencing method has the fastest average sequencing speed， and the single molecule sequencing method has the highest accuracy， the longest reading length and the shortest cycle. Finally， we summarized the shortcomings of highthroughput technology in microbiology， and proposed hypothetical solutions.
Key wordsMicroorganism;Highthroughput technology;Isolation and culture;Molecular sequencing
基金項(xiàng)目國(guó)家自然基金青年項(xiàng)目（31701121）;河南省科技公關(guān)項(xiàng)目（182102310667）;河南省高等學(xué)校重點(diǎn)科研項(xiàng)目計(jì)劃（18A180022）。
作者簡(jiǎn)介劉瑩（1981—），女，河南安陽(yáng)人，工程師，碩士，從事微生物學(xué)以及糧油食品檢驗(yàn)等研究。*通信作者，講師，博士，從事納米生物材料、細(xì)胞免疫學(xué)及腸道微生物學(xué)等研究。
收稿日期2019-09-13
高通量技術(shù)已經(jīng)成為生命科學(xué)領(lǐng)域基礎(chǔ)研究和臨床中被廣泛應(yīng)用的試驗(yàn)技術(shù)之一[1]，其在微生物方面的應(yīng)用包括對(duì)菌株的分離培養(yǎng)和分子鑒定。該方法主要是區(qū)別于傳統(tǒng)培養(yǎng)與鑒定方式，運(yùn)用高通量技術(shù)對(duì)不同環(huán)境下微生物進(jìn)行寬領(lǐng)域、多種類、深層次、高效率的分離培養(yǎng)和分子測(cè)序，有效地保證所分離微生物種類的多樣性、生境的原位性和對(duì)生物信息測(cè)定的準(zhǔn)確性。在分離培養(yǎng)方面，高通量已成功實(shí)現(xiàn)單細(xì)胞分離培養(yǎng)、模擬微生物原有生境的微生物原位富集培養(yǎng)以及對(duì)空氣中的微生物和一些環(huán)境耐受力弱或含量低的微生物的分離純化培養(yǎng)等;在分子測(cè)序方面，基于單分子簇的邊合成邊測(cè)序技術(shù)（SBS）和特有可逆終止化學(xué)反應(yīng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)生物基因的快速測(cè)序[2-3]。主要通過對(duì)高通量分離培養(yǎng)及測(cè)序技術(shù)研究進(jìn)行綜述，以期為高通量技術(shù)在微生物學(xué)和遺傳學(xué)的深入探究提供有益參考。
1微生物高通量培養(yǎng)的分類
傳統(tǒng)微生物培養(yǎng)技術(shù)是指以平板法實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境微生物分離和純化培養(yǎng)。此方法不但對(duì)菌種的分離效率低，而且對(duì)菌體生境改變較大，更無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)拮抗型菌落和弱勢(shì)菌體的單個(gè)分離純化。高通量培養(yǎng)不僅解決了上述問題，而且可對(duì)微生物生境中毒害因子進(jìn)行更為深入的探究[4-6]。
在微生物學(xué)試驗(yàn)中，目前常用的高通量培養(yǎng)種類可根據(jù)培養(yǎng)條件、培養(yǎng)環(huán)境以及培養(yǎng)方法，被分為稀釋培養(yǎng)法、微包埋培養(yǎng)法、原位富集培養(yǎng)法三大類，其中原位富集法又可細(xì)分為擴(kuò)散盒高通量培養(yǎng)法、空心纖維膜室培養(yǎng)法、聚氨酯泡沫培養(yǎng)法、基質(zhì)膜法和分離芯片培養(yǎng)法等[7]。
1.1稀釋培養(yǎng)法（多孔板培養(yǎng)法）
稀釋培養(yǎng)法也稱多孔板培養(yǎng)，是采用非侵入的方式利用光學(xué)傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)培養(yǎng)目標(biāo)生長(zhǎng)狀況的監(jiān)控，而孔板中細(xì)胞所處位置將直接影響細(xì)胞的生長(zhǎng)狀態(tài)。常用的細(xì)胞培養(yǎng)板有96孔、48孔、24孔、12孔和6孔等。其中應(yīng)用最為廣泛的是經(jīng)Connon等[8]和Button等[9]改良后形成的48孔平板分離培養(yǎng)法，此法通過對(duì)菌樣進(jìn)行極度稀釋（痕量級(jí)），再注入48孔平板中進(jìn)行培養(yǎng)，可分離培養(yǎng)出菌樣中14%的菌體細(xì)胞，Rappé等[10]在稀釋培養(yǎng)的基礎(chǔ)上又結(jié)合熒光原位雜交技術(shù)（FISH），現(xiàn)已實(shí)現(xiàn)對(duì)0.01 μm3菌體進(jìn)行分離培養(yǎng)。
現(xiàn)行的稀釋培養(yǎng)仍存在著客觀缺陷。首先，由于多孔板中四角受環(huán)境影響最大，常出現(xiàn)細(xì)胞散布不均勻而導(dǎo)致孔板培養(yǎng)位置的喪失。針對(duì)此問題的解決措施有：①直接放棄對(duì)周邊孔使用;②在此類孔中加入培養(yǎng)基或PBS以保護(hù)中間孔免受影響。此外，隨著菌體樣品的稀釋，一些微生物分泌的代謝產(chǎn)物也隨之被稀釋，致使有著共生關(guān)系和群體效應(yīng)關(guān)系的微生物間有益或有害作用均被減弱，也會(huì)使微生物因缺少必要的異源代謝產(chǎn)物出現(xiàn)生長(zhǎng)受抑或直接消亡。
1.2微包埋培養(yǎng)法
微包埋培養(yǎng)是利用高分子材料形成半滲透或密封的微膠囊，后應(yīng)用于微生物包埋、固定化酶和藥物傳遞等領(lǐng)域[11]。在微包埋技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展中，Weaver等[12]最先通過油水乳化法包埋培養(yǎng)微生物和動(dòng)物細(xì)胞;Gift[13]用凝膠微球來(lái)分離慢性生長(zhǎng)的酵母;Benita[11]則對(duì)微球包埋技術(shù)作了較詳細(xì)的介紹;2000年Katsuragi等[14]證明包埋的酵母細(xì)胞可依據(jù)自身熒光性加以分選。至此，微包埋技術(shù)被廣泛應(yīng)用于微生物發(fā)酵、固定化酶及藥物肝毒性的試驗(yàn)研究當(dāng)中，為微生物資源的開發(fā)和利用提供了新途徑。
微包埋培養(yǎng)的前提是微球制備，從微球基材到制備方法，可根據(jù)自身菌體研究的需要進(jìn)行選擇。對(duì)微球選材有以下幾點(diǎn)要求：①基材對(duì)被培養(yǎng)生物無(wú)毒害;②微球穩(wěn)定性高、機(jī)械性強(qiáng);③微球透明度高，便于觀察;④微球的容納量較大（尺寸一般在20～90 μm）;⑤微球?qū)λ囵B(yǎng)微生物的代謝危害物的抵抗力強(qiáng)[15]。常用制備微球的材料有海藻酸銨、卡拉膠、瓊脂、結(jié)冷膠、聚乙烯醇等，若制備的微球穩(wěn)定性能不佳，則可使用殼聚糖作為復(fù)包埋的外圍包覆材料[16]。微囊制備常用方法有乳化法、擠出法、微流體法，其中乳化法包含膜乳化和油水?dāng)嚢枞榛?，擠出法包括高壓靜電法、共軸氣流法、共軸液流法，微流體法包括聚合流法和混沌混合法[17-18]。表1列出了3種不同材料與方法制備的微球性能對(duì)比。
首先，對(duì)選材進(jìn)行對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)選用海藻酸鈉制備微球時(shí)，通過兩相共流法制備的微球性能最佳;當(dāng)選用瓊脂糖制備微球時(shí)，攪拌乳化法和膜乳化法所制備的微球性能皆優(yōu)于兩相共流法;當(dāng)選用結(jié)冷膠制備微球時(shí)，兩相共流法所制備的微球性能最佳。然后，從制備方法進(jìn)行分析，當(dāng)選用攪拌法制備微球時(shí)，利用瓊脂糖制備的微球性能良好;當(dāng)選用兩相共流法制備微球時(shí)，利用結(jié)冷膠所制備的微球性能最佳;當(dāng)選用膜乳化法制備微球時(shí)，選用瓊脂糖制備的微球性能最佳。由此可見，利用結(jié)冷膠所制備微球相比于其他2種材料，其均一性、透明度和機(jī)械穩(wěn)定性更佳，而利用結(jié)冷膠為基材并通過兩相共流法制備的微球質(zhì)量最好。
微包埋培養(yǎng)相對(duì)于稀釋法創(chuàng)造了微生物樣品生存的外部環(huán)境，并且微球上所存在的孔隙允許微生物間的代謝產(chǎn)物或生物分子自由出入。微包埋法既實(shí)現(xiàn)了微生物的單包埋培養(yǎng)，又通過形成的開放體系實(shí)現(xiàn)了對(duì)共生類或群體類等一些較難培養(yǎng)菌種的培養(yǎng)。然而，由于該方法相對(duì)較新穎，基材選擇以及制備技術(shù)上仍存在一些問題，導(dǎo)致其培養(yǎng)優(yōu)勢(shì)還未得到完全發(fā)揮。如所用瓊脂糖作為微球材料，其機(jī)械強(qiáng)度低、透性差，并且需加熱熔解才可完成包埋，這對(duì)于大多數(shù)微生物都存在熱敏感問題[19]。此外，微球包埋法的培養(yǎng)條件與真正的原生態(tài)環(huán)境還有很多差異，均會(huì)影響對(duì)菌樣分離與培養(yǎng)的效果[20]。
1.3原位富集培養(yǎng)法
原位富集培養(yǎng)是在保證生境的原位條件下借助新型培養(yǎng)技術(shù)進(jìn)行微生物富集生長(zhǎng)，再結(jié)合傳統(tǒng)方式以實(shí)現(xiàn)對(duì)微生物分離培養(yǎng)的方法，該法能有效保護(hù)微生物群落間的相互作用。原位富集培養(yǎng)主要包括擴(kuò)散盒培養(yǎng)法、空心纖維膜室培養(yǎng)法、聚氨酯泡沫培養(yǎng)法、基質(zhì)膜法等，在所有原位培養(yǎng)法中擴(kuò)散盒高通量培養(yǎng)法、中空纖維膜室培養(yǎng)法以及分離芯片培養(yǎng)法的研究較為深入[19]。
1.3.1擴(kuò)散盒高通量培養(yǎng)法。
Kaeberlein等[21]設(shè)計(jì)的擴(kuò)散盒高通量培養(yǎng)裝置，由一個(gè)兩側(cè)膠連有厚度為0.03 μm或0.1 μm濾膜的不銹鋼鋼圈構(gòu)成。其中的濾膜可使培養(yǎng)裝置中的化學(xué)成分高效通過，而微生物細(xì)胞則被限于其內(nèi)，擴(kuò)散盒借此可實(shí)現(xiàn)對(duì)菌樣的無(wú)毒培養(yǎng)并能保證培養(yǎng)菌樣間的生物信息傳遞。微生物的擴(kuò)散盒高通量培養(yǎng)具備以下優(yōu)點(diǎn)：①擴(kuò)散盒自身對(duì)微生物細(xì)胞無(wú)毒性;②擴(kuò)散盒不但能夠?yàn)槲⑸锏纳L(zhǎng)提供所需營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和信號(hào)分子等，還可清除有害代謝產(chǎn)物，有效維護(hù)菌落間微生物相互作用。Nichols等[22]發(fā)現(xiàn)在某些環(huán)境中，對(duì)于一些弱勢(shì)菌體經(jīng)過擴(kuò)散盒反復(fù)培養(yǎng)后還可使其擴(kuò)增。但此培養(yǎng)方式尚存一些缺陷：擴(kuò)散盒法操作復(fù)雜且分離效率低，對(duì)微生物的培養(yǎng)和分類不能同時(shí)進(jìn)行。
1.3.2中空纖維膜室培養(yǎng)法。
Aoi等[23]設(shè)計(jì)的中空纖維室膜原位培養(yǎng)裝置是由中空的纖維膜形成一個(gè)單元小室，提供培養(yǎng)所需生境，再將從環(huán)境中提取的微生物樣品稀釋于腔室之中。該法在保證菌樣自然生境前提下，有效阻止各個(gè)小室內(nèi)微生物的進(jìn)出，但對(duì)不同菌落間的生物信息分子無(wú)任何阻礙作用。通過此法不但可分離培養(yǎng)出新的菌型，而且為不同菌類的抗逆性或菌落間的拮抗作用提供了新思路;然而，若要進(jìn)一步增加對(duì)菌樣中菌種分離的準(zhǔn)確性，還必須借助流式細(xì)胞儀。
1.3.3分離芯片培養(yǎng)法。
分離芯片是由聚甲醛材料制成的多孔平板，將平板浸泡于菌樣液中（既可是稀釋后的菌樣液，也可是經(jīng)過微球包埋的菌樣液），待平板上的每個(gè)小孔室中分好菌體細(xì)胞后，覆膜形成密封小室進(jìn)行菌體的原位培養(yǎng)[24]。
2高通量技術(shù)對(duì)不同環(huán)境微生物的應(yīng)用舉例
現(xiàn)有高通量分離培養(yǎng)技術(shù)為各類環(huán)境中微生物的研究提供了廣泛的幫助，但為了更加準(zhǔn)確且具體地展示不同環(huán)境下的微生物高通量培養(yǎng)，該研究從海洋、土壤以及空氣3種生境入手進(jìn)行歸納。
2.1海洋微生物
在對(duì)海洋微生物的高通量分離培養(yǎng)中，稀釋培養(yǎng)法、微包埋法、原位富集培養(yǎng)法都可適用于海洋微生物的培養(yǎng)，其中微包埋法的應(yīng)用最為普遍[7]。但對(duì)海洋微生物研究的方向不同，方法的選擇也會(huì)有所差異。如可分離出新型菌株的方法有稀釋培養(yǎng)法中的48孔平板分離法、微包埋法中的瓊脂微球包埋法以及原位富集培養(yǎng)中的中空纖維膜室培養(yǎng)和分離芯片培養(yǎng)法等，而對(duì)弱勢(shì)菌體的反復(fù)培養(yǎng)則多采用擴(kuò)散盒高通量培養(yǎng)法。通過高通量分離培養(yǎng)技術(shù)對(duì)海洋微生物開展研究，意在加強(qiáng)對(duì)海洋生態(tài)環(huán)境的了解和保護(hù)，同時(shí)為解決水產(chǎn)水質(zhì)問題提供更多有益途徑。
2.2土壤微生物
Yasumotohirose等[25]使用浸取瓊脂培養(yǎng)基的聚氨酯泡沫培養(yǎng)法（PUF）來(lái)培養(yǎng)和分離石油降解菌、鐵載體產(chǎn)生菌以及鐵細(xì)菌等。Gavrish等[26]通過擴(kuò)散盒培養(yǎng)原理實(shí)現(xiàn)了對(duì)土壤中放線菌的分離培養(yǎng)，進(jìn)而廣泛用于抗生素的研發(fā)。Ferrari等[27]將對(duì)擴(kuò)散盒培養(yǎng)法進(jìn)行改良后建立的基質(zhì)膜法（substrate membrane）用于土壤菌的分離，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了對(duì)土壤菌的培養(yǎng)。此外，將土壤微生物制成濃縮菌樣后也可用微包埋法進(jìn)行分離和培養(yǎng)。高通量技術(shù)對(duì)土壤微生物分離培養(yǎng)的應(yīng)用意義在于可開展關(guān)于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中共生菌型、固氮菌等有益菌種的研究，也可對(duì)生活中一些病原微生物的致病機(jī)理和預(yù)防舉措進(jìn)行探索以及開展一些新型抗生素類藥物的研發(fā)等。
2.3空氣微生物
在對(duì)空氣微生物的高通量分離中，Moon[28]通過微流體裝置完成了對(duì)空氣中微生物與粉塵的高通量分離?？山柚鷤鹘y(tǒng)的平板培養(yǎng)法實(shí)現(xiàn)對(duì)不同菌株的培養(yǎng)。在現(xiàn)有的研究中，高通量技術(shù)用于海洋微生物的研究較為深入，已經(jīng)實(shí)踐成功的培養(yǎng)實(shí)例較多，但對(duì)于淡水微生物、土壤微生物、空氣微生物、藥用微生物以及嗜極環(huán)境微生物的高通量培養(yǎng)尚待深入。
3高通量分子測(cè)序技術(shù)對(duì)比分析
若把20世紀(jì)70年代由Frederick Sanger發(fā)明的雙脫氧鏈終止法核酸測(cè)序技術(shù)看作第一代分子測(cè)定技術(shù)，高通量分子測(cè)序技術(shù)則是在此基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的第二代和第三代測(cè)序技術(shù)。其中，常用的二代測(cè)序技術(shù)有Illumina sequencing、AB Solid system sequencing、Ion Torrent sequencing、 Pyro sequenceing等，而第三代測(cè)序技術(shù)主要是Pacific Bio等，利用第二代或者第三代高通量測(cè)序技術(shù)可以更高效地完成生物分子測(cè)序[29-33]。
對(duì)表2進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，第一代分子測(cè)序技術(shù)和第二代高通量測(cè)序技術(shù)測(cè)序速度快、測(cè)序讀長(zhǎng)長(zhǎng)、測(cè)序通量大、準(zhǔn)確度高。對(duì)第二代各類測(cè)序技術(shù)進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)：Illumina 測(cè)序法的平均測(cè)序速度最快，該技術(shù)還可完成對(duì)多聚重復(fù)序列的測(cè)序;AB Solid system測(cè)序法[33]通過復(fù)測(cè)序方式，數(shù)據(jù)的相對(duì)精確度最高;而相對(duì)于前兩代來(lái)說(shuō)，第三代測(cè)序技術(shù)的精確度最高，測(cè)序讀長(zhǎng)最長(zhǎng)，周期相對(duì)最短。另外，所有3代測(cè)序技術(shù)不但可實(shí)現(xiàn)對(duì)微生物基因序列的快速測(cè)定，還可直接對(duì)微生物轉(zhuǎn)錄出的RNApool序列進(jìn)行測(cè)定，測(cè)序數(shù)據(jù)在短時(shí)間內(nèi)即可得到[34]。
4展望
高通量培養(yǎng)技術(shù)的興起為微生物學(xué)、遺傳學(xué)、分子生物學(xué)及藥物靶向作用的研究提供了更為寬廣的應(yīng)用平臺(tái)。但目前現(xiàn)有的高通量培養(yǎng)技術(shù)尚存在完善之處，稀釋培養(yǎng)對(duì)孔板的利用率不高;利用擴(kuò)增盒法無(wú)法實(shí)現(xiàn)新菌型的培養(yǎng);微球材料和制法的不足使應(yīng)用受限。這些局限導(dǎo)致高通量分離培養(yǎng)技術(shù)在對(duì)淡水微生物、土壤微生物以及醫(yī)用微生物的培養(yǎng)應(yīng)用中存在很大欠缺。針對(duì)此類問題，提出一定的假設(shè)性解決方案：①對(duì)于現(xiàn)有的高通量培養(yǎng)缺陷，可通過與傳統(tǒng)培養(yǎng)方式相結(jié)合或開發(fā)新方法來(lái)彌補(bǔ);②對(duì)于淡水微生物的高通量培養(yǎng)，可依照海洋微生物的培養(yǎng)技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)和運(yùn)用，對(duì)于土壤及醫(yī)用微生物的高通量培養(yǎng)則可依據(jù)菌樣的大致種類進(jìn)行針對(duì)性的分種類高通量培養(yǎng)。
高通量技術(shù)不僅成功應(yīng)用于不同環(huán)境的微生物分離與擴(kuò)增，以及大量形態(tài)學(xué)的試驗(yàn)研究，而且還作為新一代測(cè)序技術(shù)來(lái)發(fā)現(xiàn)基因組和轉(zhuǎn)錄組上所有可能的細(xì)微差異，即利用單堿基的精確度去更加深入地理解微生物世界，探尋微生物生存和演化過程中留下的痕跡[35]。總之，通過高通量分離培養(yǎng)技術(shù)，完成對(duì)不同環(huán)境下菌體的純培養(yǎng)，再結(jié)合現(xiàn)有的生物分子測(cè)序技術(shù)，從微生物分類學(xué)到基因組學(xué)再深入到轉(zhuǎn)錄組學(xué)和宏基因組學(xué)等方面。微生物的整體研究將由淺及深，也將更為系統(tǒng)與全面，同時(shí)期待高通量技術(shù)在未來(lái)微生物學(xué)試驗(yàn)中發(fā)揮更大的作用。
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