宏基因组学以环境中微生物的基因组的总和为研究对象, 从而规避了传统方法中绝大部分微生物不能培养的缺陷, 因此近年来在环境微生物学研究中得到了广泛应用。本文重点介绍了宏基因组学技术中关键的两类技术: 即以罗氏454及Illumina为代表的高通量测序技术和以基因芯片(GeoChip)为代表的基因芯片技术在微生物研究中的应用。测序技术可以发现新物种和新基因, 但由于测序深度有限, 定量性差, 不易发现低丰度物种, 且易受污染物干扰。芯片技术很好地克服了这些局限, 但不易于发现新基因。本文介绍了这些技术近年来在气候变化、水处理工程系统、极端环境、人体肠道、石油污染修复、生物冶金等方面取得的部分代表性成果。在此基础上, 对宏基因组技术在环境微生物研究方面的未来发展方向提出了预判和展望。我们认为由于两种技术各自的优缺点, 今后将两类技术结合起来的综合研究会越来越多。另外, 由于大量数据的处理方法已成为制约宏基因组学发展的瓶颈, 相应的生物信息学技术开发将是未来科研的热点和难点。

环境微生物转录组学是一门新兴学科, 它以复杂环境样品中的微生物mRNA为研究对象, 利用近年兴起的RNA-Seq高通量测序技术, 在整体水平上对环境微生物的基因表达水平和调控规律进行研究。本文概述了环境微生物转录组研究从样品的采集保存、RNA提取、mRNA的富集、cDNA合成直到高通量测序及数据分析的基本流程。总结了该技术面临的主要瓶颈: 环境样品mRNA含量低、腐植酸等干扰杂质多、rRNA去除程度有限。针对 RNA的提取、纯化以及mRNA的富集这些重点步骤, 详细阐述了近年来在提高mRNA的得率与纯度上的方法学进展。重点介绍了高通量测序数据的处理及分析方法, 从测序数据的质量控制、序列组装、rRNA的鉴定及去除、功能基因注释及分类到差异表达基因的鉴定。最后总结了近年来环境微生物转录组学在新基因的发现、不同环境条件下微生物的基因表达及调控规律研究、有机物的代谢路径分析等3个主要研究领域的广泛应用。随着测序技术及生物信息学分析工具的发展进步, 环境微生物转录组学将具有更广阔的应用前景。

自20世纪50年代以来, 生物多样性与生态系统稳定性的关系一直是生态学中重点讨论的理论问题之一。在当今人类活动对自然生态系统产生重大影响的情况下, 全面理解生态系统多样性与稳定性的关系, 有助于我们更好地应对环境变化和生物多样性丧失等生态问题。在陆地生态系统中, 关注重点多集中在地上植物生态系统; 而对地下生态系统, 尤其是对微生物多样性与系统稳定性关系的研究尚重视不够。事实上, 土壤微生物作为生命元素循环的驱动者, 主导和参与地下生态系统中一系列重要生态过程, 对土壤能否正常有序地执行各项生态功能至关重要。对土壤微生物多样性的研究, 能使我们明确土壤中微生物对各种环境条件(包括自然和人为因素)变化的响应机制, 更好地维持土壤生态系统的稳定性及其生态服务功能。本文在介绍土壤微生物多样性概念、研究方法、地下生态系统稳定性的基础上, 重点讨论了土壤微生物多样性对土壤生态系统稳定性的影响, 对多样性-稳定性关系在土壤微生物生态学中的应用进行了较为深入和全面的思考。作者提出, 土壤微生物系统是一个动态变化的自组织系统, 通过遗传来维持其组成和结构的相对稳定性, 通过变异而适应外界干扰, 共同构成土壤微生物系统的抵抗力(resistance)和恢复力(resilience), 维护土壤生态系统的稳定性。今后土壤微生物多样性-稳定性关系的研究, 需要注重地上与地下生态系统的结合与统一, 借鉴宏观生态学理论来构建微生物生态学的理论框架, 建立微生物多样性-稳定性关系的机理模型, 从定性描述向定量表征方向发展。

维护湖泊生态系统健康发展是一个全球关注的热点问题。细菌不仅是湖泊系统食物网的重要组成部分, 同时在控制和调节湖泊水质方面发挥着重要作用。本文对于细菌多样性的相关概念和评价方法、细菌群落在湖泊水体中的分布特征、形成机制及其生态功能等方面进行了综合论述和分析。目前, 在湖泊水体中共发现21个典型的淡水细菌门类, 其中变形菌门(Proteobacteria)、蓝细菌门(Cyanobacteria)、拟杆菌门(Bacteroidetes)、放线菌门(Actinobacteria)和疣微菌门(Verrucomicrobia)是最主要的5个门类。Beijerinck和Baas-Becking的观点及Meta-群落假说, 均表明湖泊水体细菌群落多样性和物种分布特征是“随机分布”和“环境决定”两种过程共同作用的结果。对湖泊细菌功能的研究, 主要集中于细菌参与下的湖泊水体生产力和元素的生物地球化学循环过程。尽管经过十几年的不懈努力, 人们对湖泊细菌群落多样性和功能的认识还十分有限, 湖泊细菌生态学仍是一门年轻的科学, 限制着人们对湖泊微生物群落的进一步认识。未来研究者们需要在以下4个方面重点开展工作: (1)综合细菌表型、基因型、系统发育史及生态特征的一致性来界定细菌“种”的概念; (2)在区域尺度上研究细菌在不同斑块间的扩散作用; (3)在微观尺度上研究细菌群落多样性及功能特征; (4)提出或验证湖泊细菌群落多样性的生态理论及假说, 完善微生物生态学相关理论框架。

海岸带生境类型多样, 环境梯度明显, 是研究微生物多样性、群落结构与功能关系及调控机制的天然实验场。沉积物是海岸带环境中营养盐再生与转化发生的重要场所, 其中多种微生物类群在氮素循环过程中扮演重要角色。本文重点介绍海岸带沉积物中固氮菌、氨氧化菌、厌氧氨氧化菌、反硝化与硝酸盐铵化微生物的基于16S rRNA基因的物种多样性和基于关键酶基因nifH、amoA、narG、nirS、nirK、nosZ、nrfA、hzo、hzs等的功能多样性; 总结了在海岸带特有生境(如河口、潮间带、海草藻床、红树林、盐沼、珊瑚礁、浅海等)及污染胁迫、生物扰动等条件下各功能类群的群落组成特征及时空变化规律, 并提出今后需要重点关注新的培养技术和方法的开发, 以进一步提高微生物的可培养性, 将单细胞基因组测序与分析技术、DNA和RNA结合起来研究, 以全面了解氮循环微生物多样性、参与介导硝酸盐铵化过程的微生物多样性等方面。

海洋面积约占地球总面积的70%, 平均深度3,800 m, 海底平均压力38 MPa, 海水以下更是包含有物理化学性质迥异的多种地质结构, 例如海洋沉积物、洋壳、热液口以及冷泉等。这些性质迥异的地质结构环境造就了丰富的生物多样性, 构成了地球上最大的微生物生态系统。深海海水中最主要的微生物类群是α-, γ-变形菌(Alpha- & Gammaproteobacteria), 以及海洋古菌群 I(Marine Group I)。深海沉积物中微生物含量与有机物含量和距离大陆板块的距离相关, 以异养微生物为主。深海冷泉区富集了厌氧甲烷氧化古菌ANME和硫酸盐还原菌(Deltaproteobacteria); 深海热液区由于具有化学物质的多样性和快速的动态变化而导致形成微生物的高度多样性。洋壳主要由基性、超基性岩构成, 含有丰富的矿物, 其中不乏参与铁、锰、硫等关键代谢反应的化能自养微生物。同时, 由于环境中99%以上的微生物没有已培养的亲缘种, 因此对深海微生物的多样性、生理功能特性以及生物地球化学作用的理解和研究仍然存在巨大的挑战。本文将尝试从不同的深海环境分区来综述深海海水、沉积物、洋壳, 以及冷泉区和热液口等特殊生态环境中微生物的分布和多样性。

极地是指高纬度、高海拔地区, 包括南极(60°S以南)、北极(60°N以北)和被称为“第三极”的青藏高原地区(平均海拔4,500 m)。这些地区气温极低、养分极度贫乏, 生态系统非常脆弱, 对全球气候变化极为敏感, 该地区生态系统一旦破坏将很难恢复。尽管极地地区自然条件恶劣, 但在这些极端环境中栖息着大量微生物, 是元素生物地球化学循环的主要驱动者, 对极地生态系统的构建和维持具有非常重要的作用。本文综述了极地土壤、湖泊和冰川等陆域环境微生物研究进展。在这些极地环境中, 目前已发现了Acidobacteria, Actinobacteria, Bacteroidetes, Cyanobacteria和Firmicutes等类群, 这些微生物具有嗜盐/耐盐及耐低温等特征。我国在极地微生物生态学研究方面落后于发达国家, 建议优先发展较易到达的青藏高原地区微生物生态学长期定位观测, 这将有助于较快提升我国极地微生物多样性研究水平, 深入了解极端生命过程及其生态学效应。

低温细菌与古菌广泛分布于地球的低温环境, 包括南极、北极及高山地带的冻土、低温土壤和荒漠、冰川、湖泊、海冰, 以及深海、冰洞和大气平流层等。栖息在这些低温环境中的细菌与古菌具有丰富的多样性, 主要为α, β和γ-Proteobacteria分支、CFB类群分支和革兰氏阳性细菌分支等。由于低温环境中的微生物流动性低, 因而是研究微生物地理学理想的生态系统, 有助于理解地球微生物的多样性、分布规律乃至形成机制。由于长期生活在冰冻环境中, 低温细菌与古菌形成了多种适应低温环境的生理机制, 如它们通过细胞膜脂类的组成来调节膜的流动性以维持正常的细胞生理功能; 利用相容性溶质、抗冻蛋白、冰核蛋白及抗冰核形成蛋白等实现低温保护作用; 产生冷激蛋白、冷适应蛋白和DEAD-box RNA解旋酶保持低温下RNA的正确折叠、蛋白质翻译等重要的生命活动; 另外还产生低温酶, 提高能量产生和储存效率等以适应低温环境。随着DNA序列分析技术的飞速发展, 各类组学方法也用于揭示微生物全局性的冷适应机制。

抗生素耐药性及其在全球范围内的传播已成为国际关注的热点。本文结合最新文献, 综述了抗生素抗性基因在环境中的来源、传播、分布以及新型抗性基因的发现等方面的研究进展。环境中抗生素抗性基因的来源主要是环境中细菌的内在抗性基因及随人或动物粪便排到体外的抗性细菌。功能宏基因组学技术的应用极大地丰富了人们对抗生素抗性组学的认知, 并已从环境中筛选到多种新型抗性基因。近年来, 由于抗生素在医疗以及养殖业中的大量使用, 增加了抗性基因在环境中的丰度和多样性, 加速了抗性基因在环境中的传播, 在多种环境介质(如养殖水域、污水处理厂、河流、沉积物和土壤等)均检测到多种高丰度的抗生素抗性基因。我们建议今后在以下方面开展深入研究: (1)抗性基因传播和扩散的机制; (2)新型抗性基因筛选和抗性机制; (3)抗生素和抗性基因环境风险评估体系等。

外生菌根(ectomycorrhiza, ECM)是由土壤真菌与陆地植物根系形成的一种互惠共生体。ECM真菌从寄主植物中获取生长所需的碳源, 同时促进寄主吸收氮、磷等矿物营养物质和水分。作为生态系统的重要组分, ECM真菌在生态系统的演替和多样性维持中发挥着重要的作用, 因而揭示ECM真菌多样性的分布格局与维持机制是生物多样性与生态系统功能研究的热点领域之一。本文对ECM真菌多样性的最新研究进展进行了综合分析, 相关研究显示, 从热带到亚热带、温带森林, 每种寄主植物上ECM真菌的平均物种数逐渐升高。扩散和选择过程都影响ECM真菌的分布格局, 其中扩散对ECM真菌分布的影响具有空间尺度依赖性, 即在全球和局域尺度上, 扩散对ECM真菌分布的影响较弱, 而在区域和小尺度上很强。同时, 在局域尺度上, 扩散对ECM真菌的分布具有寄主植物优势度依赖性, 即在寄主植物不占优势的生态系统中, 扩散对ECM真菌的分布有明显作用; 而在寄主植物占优势的生态系统中则无影响。植物、动物、微生物和非生物因素的选择也都影响ECM真菌的分布格局, 其中在温带地区所有研究均表明选择对ECM真菌的分布有影响, 但是在热带地区有的研究表明选择对ECM真菌的分布有影响, 而有的研究则显示无影响。植物的多样性和生产力都能影响ECM真菌的多样性, 其中在温带、亚热带和热带森林中寄主植物属的多样性决定ECM真菌多样性, 而植物生产力多样性假说只在一些温带的研究中得到证实。未来的研究重点应关注全球尺度, 特别是在全球气候变化背景下的ECM真菌多样性的分布格局、维持机制及其生态系统功能等方面。

多孔菌是指子实层体呈孔状且质地为革质至木质的一类大型担子菌, 主要生长在各类木材上。我国地域辽阔, 气候带和地形多样, 森林类型和植被组成丰富, 为多孔菌提供了丰富的栖息地。长期的野外资源调查和标本采集, 特别是近年来分子生物学技术的发展, 极大地丰富了对我国多孔菌种类的认识。我国是世界上多孔菌物种多样性最丰富的国家, 现在已知有多孔菌704种, 隶属于11目22科134属, 包括世界广布成分、北温带成分和热带-亚热带成分。多孔菌中的白腐菌是潜在的工业用菌, 褐腐菌在森林的更新过程中起重要作用。

为了探讨黏菌在华东丘陵地带森林中的生态作用, 本文选择安徽滁州皇甫山和江苏南京紫金山两个国家森林公园作为华东地区丘陵林地的代表, 分别设置针叶林和阔叶林样地各3个, 调查研究了其中的黏菌物种多样性。共获得5目10科21属58种黏菌, 其中从皇甫山获得5目9科17属41种黏菌, 点状无丝菌(Licea punctiformis)、细筛菌(Cribraria tenella)和盖碗菌(Perichaena corticalis)等27种为安徽省首次发现; 从紫金山获得5目10科20属51种黏菌, 粗柄无丝菌(Licea pedicellata)、密筛菌(Cribraria intricata)和纹丝菌(Calomyxa metallica)等35种为江苏省首次发现。碎皮菌(Clastoderma debaryanum)和灰团网菌(Arcyria cinerea)是两地共有的相对多度最高的物种, 相对多度分别为32.72%、30.59%和21.27%、26.30%。无丝菌目和发网菌目更多地在针叶林中发生, 而团毛菌目和绒泡菌目更多地在阔叶林中发生, 且阔叶林中黏菌的物种数量和多样性指数都高于针叶林。两地阔叶林之间黏菌物种组成的相似性为68.57%, 针叶林之间的相似性为59.57%, 均高于两地阔叶林和针叶林之间的相似性, 表明林型对黏菌物种组成的影响大于距离的影响。