微生物群落多样性测序与功能分析

(5)高通量测序：环境微生物群落多样性分析

微生物群落多样性的基本概念

环境中微生物的群落结构及多样性和微生物的功能及代谢机理是微生物生态学的研究热点。长期以来，由于受到技术限制，对微生物群落结构和多样性的认识还不全面，对微生物功能及代谢机理方面了解的也很少。但随着高通量测序、基因芯片等新技术的不断更新，微生物分子生态学的研究方法和研究途径也在不断变化。第二代高通量测序技术（尤其是Roche

454高通量测序技术）的成熟和普及，使我们能够对环境微生物进行深度测序，灵敏地探测出环境微生物群落结构随外界环境的改变而发生的极其微弱的变化，对于我们研究微生物与环境的关系、环境治理和微生物资源的利用以及人类医疗健康有着重要的理论和现实意义。

在国内，微生物多样性的研究涉及农业、土壤、林业、海洋、矿井、人体医学等诸多领域。以在医疗领域的应用为例，通过比较正常和疾病状态下或疾病不同进程中人体微生物群落的结构和功能变化，可以对正常人群与某些疾病患者体内的微生物群体多样性进行比较分析，研究获得人体微生物群

落变化同疾病之间的关系；通过深度测序还可以快速地发现和检测常见病原及新发传染病病原微生物。研究方法进展

环境微生物多样性的研究方法很多，从国内外

基于二代高通量测序的环境微生物多样性分析

一般认为土壤、海洋、肠道等生态系统中的微生物数量繁多、种类多样。传统的培养方法只限于对环境样品中极少部分（0.1%-1%）可培养的微生物类群的研究，而变性梯度凝胶电泳（DGGE）、克隆文库等常规的分子生物学方法也因操作复杂、成本高、痕量菌发现困难等因素无法达到深入分析环境微生物多样性的目的。高通量测序技术的出现，极大的促进了对环境中不可培养微生物以及痕量菌的研究，为环境微生物多样性的研究开启了新的研究热潮。

微生物群落中物种的多样性依然是目前研究的重点。对群落结构的研究，将有助于了解种群结构的稳定性，进而了解种群内物种间的相互依赖、相互制约的内在联系，为将来构建功能性种群服务。鉴于微生物群落是一个多物种的集合体，其中高达 95%以上的微生物物种无法分离也不能独立培养，拼装出每个独立个体的基因组现在也无法实现，细菌16S 或真菌ITS测序分析依然是现阶段微生物群落多样性和多态性分析的基石。

一、高通量测序背景介绍

高通量测序技术，可以一次对几十万到几百万条DNA分子进行序列测定，使得对PCR扩增产物直接进行序列测定成为可能。极大的促进了对环境中不可培养微生物以及痕量菌的研究，为环境微生物多样性的研究开启

基于二代高通量测序的环境微生物多样性分析

一般认为土壤、海洋、肠道等生态系统中的微生物数量繁多、

种类多样。传统的培养方法只限于对环境样品中极少部分

（0.1%-1%）可培养的微生物类群的研究，而变性梯度凝胶电泳（DGGE、克隆文库等常规的分子生物学方法也因操作复杂、成本高、痕量菌发现困难等因素无法达到深入分析环境微生物多样性的目的。高通量测序技术的出现，极大的促进了对环境中不可培养微生物以及痕量菌的研究，为环境微生物多样性的研究开启了新的研究热潮。

微生物群落中物种的多样性依然是目前研究的重点。对群

落结构的研究，将有助于了解种群结构的稳定性，进而了解种群

内物种间的相互依赖、相互制约的内在联系，为将来构建功能性种群服务。鉴于微生物群落是一个多物种的集合体，其中高达95% 以上的微生物物种无法分离也不能独立培养，拼装出每个独立个

体的基因组现在也无法实现，细菌16S或真菌ITS测序分析依

然是现阶段微生物群落多样性和多态性分析的基石。

一、高通量测序背景介绍

高通量测序技术，可以一次对几十万到几百万条DNA分子进行序列测定，使得对PCR扩增产物直接进行序列测定成为可能。极大的促进了对环境中不可培养微生物以及痕量菌的研究，为环境微

基于二代高通量测序的环境微生物多

环境微生物多样性观察

徐萍

（南京师范大学，教师教育学院）

摘要：本文着重于环境微生物的观察。主要从以下四步来完成：环境微生物的采集与分离、不同微生物类群菌落的比较及细菌多样性的观察与鉴定、放线菌、真菌、霉菌高等真菌形态观察、自然界中噬菌体的分离。通过以上阶段性的研究学习微生物采集、分离、菌落鉴定等基本实验室操作方法；树立无菌意识。 前言

微生物在自然界中可以说是无处不在。不管我们生活的周围环境，还是我们体内都有大量微生物的存在，微生物不光分布广，而且种类繁多，数目庞大，让我们无法想象。我们每时每刻都在与微生物打交道，所以微生物与人类的关系非常密切。到底微生物与人类有着怎样的关系?实际上微生物与人类的关系有两个方面：有对人类有益的一面，也有对人类有害的一面。 一、 微生物与人类日常生物

人类要生存，就必须有食物。我们每天吃的很多的食品的制作都离不开微生物。比如：我们每天吃的馒头、面包、泡菜等食品。我们喝的营养丰富的酸奶；各种酒类-调味品中的醋、酱油它们都是经过微生物的发酵制作出来的。还有我们吃的营养丰富的菌类，如各种蘑菇、木耳，银耳。还有药用价值的灵芝，冬虫夏草也微生物。 二、 微生物与人类健康

在人体肠道中有很多微生物，其中要有大肠杆菌，乳

第1节 种群和生物群落（4课时）

教学目标：1、理解种群和生物群落的概念

2、学会识别种群，区别不同的生物群落

3、了解种群的基本特征、植物群落的分层现象

4、了解生物与环境的相互作用（包括环境中非生物因素对生物的影响、生物生

命活动对环境的影响、生物对环境的适应、生物与非生物之间的相互关系等） 重点难点：种群、群落的概念、种群的特征

教学过程

第1课时

课堂引入：同种或不同种生物个体之间的关系怎样？生物与其生活环境之间又有什么联系？

一、认识生物种群

读图：这些生物是同一种生物吗？为什么？

苔藓 金鱼藻 灵 芝 蝗 虫

――它们不是同一种生物，因为它们的形态、结构并不相同。

物种(species)：一群生物，它们的形态、结构相似，并能相互交配而生育子孙后代。

读图：看上面几张图片，有什么共同点？

种群(population)：生活在一定区域内的同种生物个体的总和。

强调：种群并不是许多生物个体的简单相加，且也有三个区别于其他群体的特点： ①一定空间和时间内（一个区域）；

②同种生物（一个物种）；

③个体的总和（一群个体）。

练习：1、一个池塘中的鲢鱼、鲤鱼等鱼群。则这个池塘中全部的鱼是否一个种群？

2、判断下列属于种群的是哪一项[ ]

A．一片森林里全部的

环境微生物多样性观察

徐萍

（南京师范大学，教师教育学院）

摘要：本文着重于环境微生物的观察。主要从以下四步来完成：环境微生物的采集与分离、不同微生物类群菌落的比较及细菌多样性的观察与鉴定、放线菌、真菌、霉菌高等真菌形态观察、自然界中噬菌体的分离。通过以上阶段性的研究学习微生物采集、分离、菌落鉴定等基本实验室操作方法；树立无菌意识。 前言

微生物在自然界中可以说是无处不在。不管我们生活的周围环境，还是我们体内都有大量微生物的存在，微生物不光分布广，而且种类繁多，数目庞大，让我们无法想象。我们每时每刻都在与微生物打交道，所以微生物与人类的关系非常密切。到底微生物与人类有着怎样的关系?实际上微生物与人类的关系有两个方面：有对人类有益的一面，也有对人类有害的一面。 一、 微生物与人类日常生物

人类要生存，就必须有食物。我们每天吃的很多的食品的制作都离不开微生物。比如：我们每天吃的馒头、面包、泡菜等食品。我们喝的营养丰富的酸奶；各种酒类-调味品中的醋、酱油它们都是经过微生物的发酵制作出来的。还有我们吃的营养丰富的菌类，如各种蘑菇、木耳，银耳。还有药用价值的灵芝，冬虫夏草也微生物。 二、 微生物与人类健康

在人体肠道中有很多微生物，其中要有大肠杆菌，乳

发酵蔬菜微生物群落变化及与亚硝酸盐的关系

【摘要】：蔬菜发酵是一个由微生物主导的过程,微生物的种群、数量与发酵食品品质、风味和营养等密切相关。蔬菜表面富含多种微生物。在发酵体系中形成独特的微生物群落结构。蔬菜发酵体系中的微生物除乳酸菌外,还有酵母、霉菌等。这些种群在发酵体系中的生长存在方式、演替规律、与乳酸菌种群的关系及其相互作用对蔬菜发酵如何产生效应,至今国内外尚没有系统、深入的研究。此外,这些微生物在发酵过程中以及腌渍品后期储藏过程中不可避免的产生亚硝酸盐。而亚硝酸盐含量超标问题又是限制蔬菜发酵产业的重要问题。因此,本文探究了发酵蔬菜细菌和真菌群落变化并开展了与亚硝酸盐形成、还原相关微生物鉴定的研究,为蔬菜发酵机制、质量控制及低亚硝酸盐含量工艺的建立提供理论依据。有研究表明在自然发酵过程中,食盐浓度、微生物发酵产酸、乳酸菌和辅料的抑菌作用是影响微生物群落变化的主要因素。本文采用PCR-DGGE非培养方法结合BIOLOG方法分析研究蔬菜发酵过程中细菌、真菌随发酵时间变化而演变的规律,并进行群体鉴定、个体鉴定及对群落结构和功能性进行分析,以期全面揭示微生物群落变化。通过DGGE方法对发酵蔬菜体系中细菌、真菌群落进行鉴定得出食盐浓度4%的发酵蔬

肠道微生物多样性与能 量代谢调控及肥胖关系

要减肥的就一定主要看咯！！

陈娟 11应用生物教育B班

1 肠道微生物概述

2 肠道微生物与宿主间的相互关系 3 宿主基因型和遗传关系对肠道微生物多样 性的影响 4 肠道微生物对多糖发酵及宿主能量代谢的 影响 5 肠道微生物对宿主基因表达与脂肪贮存的 影响

一 肠道微生物概述

细胞总量几乎是人体自身细胞的10 倍

编码的基因数量至少是人体自身基 因的100倍

一 肠道微生物概述

硬壁菌门:直肠真杆菌 拟杆菌门:多形拟杆菌 变形杆菌 古生菌:嗜温产甲烷菌

一 肠道微生物概述

目前硬壁菌门（Firmicute）基因测序尚未 完成,但有资料显示,直肠真杆菌(硬壁菌门)至 少含有44种与抗性淀粉降解酶有关的基因。 硬壁菌门可能与拟杆菌相似,即降解人体所不 能降解的多糖,为人体提供能量。

一 肠道微生物概述

拟杆菌门（Bacteroidete）以多形拟杆菌为代 表,能降解一大类人体不能被消化的植物多糖(如 纤维素、半纤维素、果胶、抗性淀粉等)。人体 肠道几乎不含多糖消化酶,而多形拟杆菌能编码 64种多糖降解相关的酶,从而降解多糖,为宿主提 供额外的能量。

一 肠道微生物概述

在多糖代谢链中,古生

水质 微型生物群落监测 PFU法

GB/T 12990-91

Water quality-Microbial community

biomonitoring-PFU method

PPU微型生物群落监测方法(以下简称PFU法)是应用泡沫塑料块作为人工基质收集水体中的微型生物群落，测定该群落结构与功能的各种参数，以评价水质。此外，用室内毒性试验方法，以预报工业废水和化学品对受纳水体中微型生物群落的毒性强度，为制定其安全浓度和最高允许浓度提出群落级水平的基准。 1 适用范围

1.1 本标准的野外监测适用于淡水水体，包括湖泊、水库、池塘、大江、河流、溪流。

1.2 本标准的室内毒性试验适用于工厂排放的废水、城镇生活污水、各类有害化学物质。

1.3 本标准适用于综合水质评价。 2 定义

2.1 PFU：是Polyurethane foam unit(聚氨酯泡沫塑料块)的缩写。

2.2 微型生物群落(Microbial community)：是指水生态系统中显微镜下才能看见的微小生物，主要是细茵、真苗、藻类和原生动物，此外也包括小型的后生动物，如轮虫等。它们占据着各自的生态位，被此间有复杂的相互作用，构成一特定的群落，称之为微型生物群落。

2.3

环境生态学

第七章 生物群落的动态第一节 群落变化类型 动植物的生理活动引起了群落的变化，群 落变化的时间跨度很大，由几天到万年或 亿年，本章论述的群落演替是中等时间尺 度(几十~几百年) 演替(succession)与波动(fluctuation) 演替是一个群落代替另一个群落的过程， 是朝一个方向连续变化的过程 波动是短期的可逆变化，其逐年变化的方 向常常不同

环境生态学

波动的变化有时相当大，往往被误认为是 演替，发生波动的原因有：环境条件的变 化(降水的变化);生物本身的活动周期 (种子产量的多少，病虫害等);人为活 动 波动中的群落其生产力、各组分数量比、 群落的外貌都会发生明显的变化，通常来 说，木本植物为主的群落比草本植物为主

的群落稳定，定性特征较定量特征稳定 的群落稳定，

环境生态学

第二节 群落的演替类型 1.按演替延续的时间划分 世纪演替(地质年代计算)、长期演替、快 速演替 2. 按演替的起始条件划分 原生演替(没有植被的裸露地段)、次生演 替(森林砍伐地、弃耕地) 3. 按基质的性质划分 水生演替(水变陆)、旱生演替(苔藓在石 头上)

环境生态学

4.按演替的主导因素划分 内因演替(生物的生命活动使得生境发生变化)、 外因演替(气候