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海洋生物地球化学导论作业
姓名：李雪
专业：15级环境工程学硕
学号：21151011021 指导教师：邹立
宏基因组学研究进展
摘要：宏基因组学是通过提取某一环境中的所有微生物基因组DNA、构建基因组文库及对文库进行筛选寻找和发现新的功能基因及活性代谢产物的一种方法。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。本文对宏基因组学的应用及研究现状进行综述。关键词：宏基因组学；文库构建,；文库筛选
Advances of Metagenomics Abstract:Metagenomics is an advanced methodology by means of extracting all microbial genomic DNAs in certain environmental habitat, constructing and screening metagenomic libraries to seek novel functional genes and biologically active compounds.Metagenomics is the study of microbial meta-genomes from environmental samples, which is independent on the ability to cultivate microbes in the laboratory.It provides a new way of examining the microbial world and has been widely used in microbiological research for the past decade.Here we discu some recent progre in metagenomics applications.Keywords:Metagenomics, Library construction, Library screening
环境微生物是自然界中分布最广、种类最多、数量最大的生物类群。然而，由于环境99.8%的微生物不能用常规的培养方法培养，人们对于绝大多数难培养微生物物种几乎是一无所知，对于这些微生物功能的描述受到培养的限制。而从开发微生物资源的角度来看，那些迄今为止还未发掘的难分离培养的微生物才是发掘新化合物的重要来源[1]。近年来发展起来的宏基因组学技术避开传统的微生物分离培养方法直接从环境样品中提取总DNA，通过构建和筛选宏基因组文库来获得新的功能基因和生物活性物质，宏基因组文库既包括了可培养的，又包括了未培养的微生物遗传信息，因此增加了获得新生物活性物质的机会。
1.宏基因组学技术策略
宏基因组学的基本策略是：采用原位裂解法或间接提取法尽可能完全地抽提环境样品中的总DNA；利用合适的载体，如粘粒载体、Fosmid载体、细菌人工载体(BAC)等，将宏基因组DNA克隆到模式微生物中，如大肠杆菌、链霉菌，构建宏基因组文库；通过外源基因赋予宿主细胞的新性状或基于某些已DNA序列筛选，寻找新的生物活性物质或基因(簇)[2]。
获得高浓度、大片段、无偏好的环境样品总DNA是宏基因组文库构建的难点之一。近年已有多种宏基因组DNA的提取纯化方法陆续建立起来，大体可分为两类：一类是直接提取法，又称原位提取法。这类方法不经过样品中微生物的培养和分离，通过化学法、酶解法或物理法直接破碎环境中的微生物细胞而使DNA 得以释放，并对DNA进行纯化。其中以Zhou法[3]和Tsai[4]法最为常用。该法操作简便、省时、成本低，所获得DNA具有较好的完整性，并能够代表某一生境的微生物群落多样性。但该发放常会出现细胞裂解不完全或DNA与土壤杂质成分产生共沉淀而无法有效地去除等问题，所以一般需要进一步的DNA 纯化处理，同时所提取获得的DNA片段较小(1kb~50kb)，主要适用于小片段文库的构建；另一类是间接提取法，即异位提取法，是利用离心介质或者梯度离心等方法先把微生物从环境样品中分离出来，再按处理纯培养细胞的方法裂解微生物细胞提取DNA。该法获得的宏基因组DNA受到胞外杂质污染干扰较少，纯度较高、DNA 完整性好(20 kb~500 kb)，适合构建大片段的宏基因组文库。但该法操作较繁琐、费时、成本高、偏差大、DNA 得率较低，其产率只是直接裂解法的1%~10%[5]。
2．宏基因组学的应用及研究现状
2.1水体宏基因组学
水体环境基因组学目前主要以海洋和极端环境为主，海洋环境基因组学是功能基因组学的一个重要分支，主要研究海洋生物群落的组成多样性、生理生化及生态功能。
近几十年来，海洋生态环境受到了很大的破坏，极大地影响到了海洋生物的生存。利用基因组学对海洋环境进行抢救性研究是环境学家所面临的巨大机遇和挑战，成为环境学研究的新热点。通过海洋生物全基因组功能分析信息，可以深入了解有关生物响应海洋环境的调控机制并将其应用于海洋病害防治中，如通过功能基因组途径筛选出爱德华氏细菌的致病基因，这对于研制防治这种细菌病的药物非常重要[6]。2.2土壤宏基因组学
土壤是自然环境中最复杂的异质体系，这决定了土壤微环境的多样化和土壤微生物的高度多样性。到目前为止，土壤宏基因组学技术已在新基因发现、生物活性物质的发现以及土壤生态等几个方面得到了广泛的应用。
从土壤宏基因组文库中获得新编码基因是该技术的主要功能所在，已发现的新基因主要有生物催化剂基因、抗生素抗性基因以及编码转运蛋白基因。土壤宏基因组学技术最引人注目的贡献是新生物催化剂的发现，包括腈水解酶和淀粉酶、蛋白酶、氧化还原酶、脂肪酶、酯酶等，并且在此基础上获得新酶的许多特征信息。土壤宏基因组学技术除用于新基因和生物活性物质的筛选和挖掘外，也为研究土壤微生物复杂群落结构提供了重要工具。通过对基因组文库中16Sr RNA基因序列的系统化研究，使环境微生物的多样性分析趋于完整客观。2.3其他
除上述应用外，环境基因组学还可用于病原微生物基因组的研究。人体同样存在无数种不同的微生物，虽然人们对其中相当部分基因建立了培养的方法，但仍有不少是难以培养、功能不详的。这一新的研究思路的引进，有可能帮助人们更加全面地认识微生物与人类的关系，认识病原体的致病机制，寻找预防和治疗的方法[7]。
3.结语与展望
到目前为止, 研究者们己通过宏基因组克隆技术筛选获得全新的功能基因和活性物质, 大大促进了药学和生物技术工业的快速发展, 增长了人类对微生物的生态学与生理学的认知, 也为人类探索自然界广袤的微生物资源提供了无限的遐想。但由于宏基因组技术作为一种新的技术刚刚起步, 在构建宏基因组文库的实施过程中还存在着很多待以解决的问题。一方面需要探索更加适合构建宏基因组文库的载体和真核表达宿主细胞；另一方面需要完善宏基因组学与生物信息学的结合。随着生物学的不断发展, 文库构建和筛选策略的不断提高, 异源基因表达能力和产量的增强, 宏基因组学技术将成为研究环境微生物多样性, 筛选新的功能基因和生物活性物质的重要手段之一。
参考文献：
[1] 黄循柳,黄仕杰, 郭丽琼,等.宏基因组学研究进展[J].微生物学通报, 2009, 36(7):1058-1066.[2]周丹燕, 戴世鲲, 王广华,等.宏基因组学技术的研究与挑战[J].微生物学通报, 2011, 38(4):591-600.[3] Zhou J, Bruns MA, Tiedje JM.DNA recovery from soils of diverse composition.App Microbiol, 1996, 62(2):316−322.[4] Tsai YL, Olson BH.Rapid method for direct extraction of DNA from soil and sediments.Applied and EnvironmentalMicrobiology, 1991, 57(4): 1070−1074.[5] Daniel R.The Metagenomics of soil.Nature Reviews Microbiology, 2005, 3(6): 470−478.[6]López‐García P, Brochier C, Moreira D.Comparative analysis of a genome fragment of an uncultivated mesopelagic crenarchaeote reveals multiple horizontal gene transfers[J].Environmental Microbiology, 2004, 6(1):19-34.[7]贺纪正, 张丽梅, 沈菊培,等.宏基因组学(Metagenomics)的研究现状和发展趋势[J].环境科学学报, 2008, 28(2):209-218.
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