土壤微生物总活性研究方法进展_车荣晓_王芳_王艳芬_邓永翠_张静_马双_崔骁勇

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土壤微生物生物量及多样性测定方法评述

土壤微生物生物量及多样性测定方法评述

基 金 项 目 :国家重 点基 础研 究发 展计 划 项 目 ( 0 7 B 02 05 ;国家 “ 2 0C 4 70 — ) 十一 五’ 技 支撑 计划 资 助项 目 ( 0 6 A 0 A 1 科 20B C 10 ) 作者 简介 :胡 婵娟 ( 9 1 生 ) 18 年 ,女 ,博士 ,主 要进 行景 观生 态学 和 士壤 生态 学 的研究 。Emalhc aja18 @16tom - i uhnun9 1 2 :
2 土壤 微 生物 多样性 的研 究方法 . 2
土壤微生物多样性测试的传统方法为分离法 , 该方法获得 的数据在一定程度上决定 于提取 的方 法和培养基类型。并且绝大部分土壤微生物无法用 现有 的分离 方法 进行 培养 。因此 ,该 方法 有很 大 的 局 限性 。在过 去 十几年 的时 间里 ,随着测 试技术 的 进步 ,土壤微 生物群 落结 构 的测 定方 法也 得到 了迅 速地 发展 ,新 的测定 方法 的 出现 如生 物标 志物法 、 磷酯脂肪酸分析法 、 核酸分析法及碳素利用法使人 们能够更好的评价土壤微生物群落结构和多样性 。 如图 1 示。 所 221 基 于培 养 的微 生物群 落的测 定方 法 . . 1 微 生物平 板 培养法 ) 微生物平板培养方法是一种传统的实验方法。 这种方法主要使用不 同营养成分 的固体培养基对 土壤中可培养的微生物进行分离培养 , 然后根据微 生物 的菌落形态及其 菌落数来计测微生物的数量 及其类型。平板培养法是进行土壤微生物分离培养 的常用方法 ,一般分为稀释 、 接种、培养和计数等 几个步骤,该方法简便易行 , 一直以来 , 被广泛应 用。这种方法在土壤健康的研究中应用较多 , 许多 研 究 表 明利 用 该 方 法 得 到 的 土壤 微 生 物 的多 样 性 与土壤 的病害控制、有机质的分解等方面存在一定 的关系【 o 但是有关研究表明与其他非培养方式 3。 ]

土壤微生物研究进展

土壤微生物研究进展

哈尔滨师范大学学年论文题目植物与微生物关系研究进展学生李春葳指导教师王全伟副教授年级 2009级专业生物科学系别生物科学系学院生命科学与技术学院哈尔滨师范大学2012年5月论文提要植物与其生长环境中的微生物关系密切,两者形成了植物—微生物共生体系统。

植物影响着其周围及体内的微生物的群落结构,这些微生物又通过其生命活动影响植物的生长发育。

了解与认识植物与微生物的相互作用对于农业生产具有重要意义。

本文就植物类型及植物根系分泌物对微生物群落结构及多样性的影响,植物根际微生物、叶围微生物和内生菌(包括内生真菌、内生细菌以及内生放线菌)对植物生长发育的影响等进行综述,并就其将来的研究方向做了展望。

植物与微生物关系研究进展李春葳摘要:植物与其生长环境中的微生物关系密切,两者形成了植物—微生物共生体系统。

植物影响着其周围及体内的微生物的群落结构,这些微生物又通过其生命活动影响植物的生长发育。

了解与认识植物与微生物的相互作用对于农业生产具有重要意义。

本文就植物类型及植物根系分泌物对微生物群落及其多样性的影响,植物根际微生物、叶围微生物和内生菌(包括内生真菌、内生细菌以及内生放线菌)对植物生长发育的影响等进行综述,并就其将来的研究方向做了展望。

关键词:植物植物根际微生物内生菌叶围微生物植物与微生物的相互作用主要包括植物与根际微生物的互作、植物与叶围微生物的互作、植物与内生菌的互作及植物对微生物多样性的影响等。

植物与周围环境生物的相互作用在自然界中普遍存在,其中以植物与微生物的互作为重要形式之一。

本文就植物类型及植物根系分泌物对微生物群落及其多样性的影响,植物根际微生物、叶围微生物和内生菌(包括内生真菌、内生细菌以及内生放线菌)对植物生长发育的影响等进行综述,并就其将来的研究方向做了展望。

1植物根际有益微生生物与植物的关系植物根际有益微生物主要指对植物生长和健康具有促进作用的土壤微生物。

这些微生物可以通过一些途径,促进植物定植、生长和发育[1、2]。

土壤微生物群落结构研究方法

土壤微生物群落结构研究方法

科技与创新┃Science and Technology&Innovation ·36·2020年第12期文章编号:2095-6835(2020)12-0036-02土壤微生物群落结构研究方法*黄潇1,赵智勇1,蔡颖慧2(1.山西省分析科学研究院,山西太原030006;2.山西省生物研究院有限公司,山西太原030006)摘要:对土壤微生物群落结构研究方法进行了综述,主要有生物化学研究方法和分析生物学研究方法两大类。

生化法研究土壤微生物群落结构的方法主要包括微生物平板记数法、底物利用分析法、生物标记法。

土壤微生物在基因水平上的群落结构研究可以用核酸杂交技术、DNA成分多态性图谱分析、DNA长度多态性图谱分析、土壤宏基因组学、高通量测序技术等进行研究。

目前,分子生物学、基因技术已在微生物群落结构研究中获得了很大关注,高通量测序技术和基因组学技术也得到了更广泛的应用。

综上所述,每个方法都有各自的有优缺点,在实际选取时需要结合实际情况。

关键词:土壤;微生物群落结构;研究方法;分子生物学中图分类号:S154.3文献标识码:A DOI:10.15913/ki.kjycx.2020.12.0141前言土壤微生物维持着土壤物质循环和生态平衡,在植物养分转换中起着重要的作用,是土壤生态系统的重要组分。

土壤微生物的群落结构对土壤生态系统有很大影响,在调节土壤生态系统、环境治理和资源可持续利用方面具有重要意义。

研究土壤微生物多样性的方法有生物化学成分分析法和现代分子水平分析法两大类。

对土壤微生物群落结构的研究涉及多学科领域,如土壤学、微生物学及生态学等。

该项研究对应对全球气候变化、各类环境污染治理及维持生态功能等方面有重要意义。

2土壤微生物群落结构的生化研究方法生物化学法以生化角度为依据,主要包括平板记数法、底物利用分析法、生物标记法3种。

2.1平板技术——培养鉴定法此法用平板对细胞进行分离培养,后依据微生物菌落的数量和菌落的形态特征来判定微生物的数量及类型。

长期施肥下我国农田土壤微生物及氨氧化菌研究进展

长期施肥下我国农田土壤微生物及氨氧化菌研究进展
中国土壤 与 肥料 2018 (2)
doi: 10.1 1838/s ̄c.20180201
长 期 施 肥 下 我 国农 田土壤 微 生 物 及 氨 氧 化 菌 研 究 进 展
王 慧颖 ,徐明 岗 ,马 想 ,段英华
(中国农业 科 学 院农 业 资源 与农业 区划 研 究所 ,耕 地培 育技 术 国家工 程实验 室 ,北京 100081)
80年 代 以来 ,中国科 研 院所 和农业 大专 院校 陆续 在 不 同农 业 生 态 区 建 立 了 一 批 农 田 土 壤 肥 料 长 期 试 验 ,以研 究不 同类 型土壤 和 不 同施肥 制 度 条件 下 土 壤肥力 长 期演 变规律 、肥 料利 用 率及 肥 料 的农 学 效 应和 生态 环境效 应 、不 同水 热梯 度带 农 田土壤 肥 力 质量 和环境 质量 的演 变规 律 等 ,这些 土 壤 长期 定 位 试 验 对于 研究 不同施 肥管 理措 施 对农 田土 壤养 分 循 环 的影 响 及其 环境效 应等 发挥 了重要 作用 ]。
163.eom 。
通 讯 作 者 :段英 华 ,E—mail:duanyinghua@ tags.cn。
数 量 比、多样性 指数 及群 落结 构 等 能够 作 为判 断 土 壤 肥力 和 健 康 状 况 的指 标 1 。微 生 物 群 落对 不 同施肥 处理 的响应会 在 时间 尺度 上 产生 差 异 ,年 际 变 化对 微生 物 的影 响不可 忽 略 .很 多 驱 动 系统 响 应 的过程 也 可 能 随 时 间减 弱 或 增 强 ll 。因此 研 究 长期定 位施 肥下 的土 壤微 生 物对农 田生 态 系统 的影 响及其 驱动 因素具 有 重要 意著改变了我 国土壤肥力和农 田生态系统的稳定性。微生物在土壤 养分循环 和肥力 形成过程 中扮演了重要角色 ,其数量 、多样 性及群落结构是评价土壤肥力和农 田生态系统稳定性 的重要 指标 。随着 研究 土壤微生物的方法和技术的成熟 ,当前关于如何选择微生物学参数以有效评价土壤肥力及健康状况 、土壤微生 物对不 同施肥管理措施的响应机制及功能微生物如何调控土壤养分循环等问题 已成为土壤生态学 中的研究热点。本 文梳理了基于我国长期定位施肥农 田的土壤微生物学研究进展 .综合分析 了土壤微生物生物量和酶活性 、细菌群 落 及近些年倍受关注的氨氧化菌群 落三方面的研究进展及发展方 向,其 中综合 分析了构成细菌群落的八大门类 菌群对 施肥 的响应及其驱 动因素 ,最后从不 同角度提出了微生物在土壤学及农业生产 中的研究和应用方 向。 关键词 :细菌 :氨氧化菌 ;微生物量 ;土壤肥力 ;酶活性 ;农 田生态系统稳定性 中 图 分 类 号 :S154 文 献 标 识 码 :A 文 章 编 号 :1673—6257 (2018) 02—0001—12

土壤微生物生态功能与研究方法

土壤微生物生态功能与研究方法

土壤微生物生态功能与研究方法一、土壤微生物生态功能土壤是生态系统中最为关键的组成部分之一,而微生物则是土壤中最为丰富的生物类群之一。

土壤微生物生态功能主要表现在以下三个方面:1. 土壤碳、氮、磷循环:微生物是土壤中重要的分解者,能够利用各种有机物分解产生的碳源及能源,在土壤中形成营养物循环。

微生物能够矿化含氮化合物,如尿素、氨态氮等,将其转化为硝态氮和钾,同时也能够降解有机磷,如植物残体及侵蚀物等,将磷释放为可供植物吸收的磷。

2. 土壤结构形成:微生物对土壤生命活性及结构形成有重要影响。

土壤中的微生物可以促进土壤的粉化,改善水分、氧气和养分的运移,同时也可以抑制土壤侵蚀的作用。

微生物还能够降解有机物,有机物的降解会产生黏土土壤结构的形成。

3. 生物防治:土壤微生物能够产生抗生素、杀菌剂和生长素,它们能够与植物、真菌和动物竞争,并且能够与植物、真菌和动物互利共生,从而保护作物,促进植物的生长及提高作物产量。

二、土壤微生物生态功能的研究方法为了研究土壤微生物生态功能,科学家们开发了许多研究方法。

根据不同的研究目标,主要可以分为文化技术和非文化技术两类。

1.文化技术文化技术是研究土壤微生物生态功能的传统方法,主要特点是利用人工培养基对微生物的群落结构进行研究。

其中常用的文化技术有以下几种:(1) 铸板计数法:铸板计数法是一种快速的方法,可以有效地估计微生物菌群的密度。

方法是将土壤放入含有富营养的培养基上,然后在培养基固化时进行菌落的计数。

(2) 生长曲线法:生长曲线法是用于测量微生物群落的生长曲线,并配合不同条件进行实验室的繁殖。

在培养的过程中,需要采集样品,并采用菌液等培养方法去分离、纯化微生物菌群。

(3) 鸟粪培养基法:鸟粪培养基是含有营养物的培养基,可以为微生物的研究提供充分的营养物。

该方法常用于硝化细菌和亚硝酸盐还原细菌的培养与研究。

2.非文化技术非文化技术是近年来研究土壤微生物生态功能的前沿方法之一。

一种土壤微生物总DNA的高效提取方法

一种土壤微生物总DNA的高效提取方法

土 壤 (Soils), 2004, 36 (6): 662~666一种土壤微生物总DNA的高效提取方法①黄婷婷1 曹 慧1 王兴祥2 崔中利1, 2* (1 南京农业大学农业部环境微生物工程重点开放实验室南京210095;2 中国科学院南京土壤研究所南京210008)摘 要 获得高浓度、大片段、多样性程度高的土壤微生物总DNA 是研究土壤微生物群落结构的分子生态学基础。

本文采用间接法(菌体细胞回收法)提取红壤地区两种土壤类型的土壤微生物总DNA,定量计算其回收率,并与直接法(细胞原位裂解法)比较了提取效率和纯度。

结果表明:红壤地区2种土壤每克干土的总DNA 提取量,间接法约为0.34和0.53µg/g干土,直接法约为13.62和24.32µg/g干土;间接法的提取效率低于直接法,但所得DNA片段较大,且Sau 3AⅠ酶切和16 S rDNA通用引物PCR扩增结果显示,间接法比直接法更能有效地去除土壤中的某些抑制剂,所得总DNA的纯度更高,有利于后续操作。

关键词土壤微生物;总DNA提取;细胞回收;粗DNA纯化中图分类号 S154土壤微生物生态系统极为复杂,在很大程度上还是未知的。

土壤微生物不仅是土壤中物质循环的驱动力,其代谢物也是植物的营养成分,其活动能直接影响到土壤的物理、化学性质[1, 2]。

可以说,土壤微生物生态系统是一个巨大的、潜在的科研和经济价值远未得到开发的微生物资源库。

目前可在实验室培养的微生物还不到自然界中微生物总数的1%,还有相当多的菌种因为无法人工培养而未被人类所认识[3]。

随着分子生物学技术的发展,PCR的指纹技术、DNA文库、FISH、Microarray等技术被广泛应用于土壤微生物群落结构以及基因资源的开发利用,丰富拓展了人们对土壤中不可培养微生物的认识[4, 5]。

分子生物学技术研究土壤微生物群落结构的实质是用土壤微生物DNA的不均一性来反映土壤微生物的种群结构特征。

不同放牧梯度下草甸草原土壤微生物和酶活性研究


不 同放牧梯度 下草甸 草原 土壤微生物和酶活性研究
闫瑞瑞 ,闫玉春 ,辛晓平 ,杨桂 霞 ,王旭 ,张保辉
呼伦 贝尔草 原生 态 系统 国家 野外科 学 观测 研究 站 , / 草地科 学 研究 室/ 国农 业科 学 院农 业资 源 与农业 区划 研究 所 ,北京 10 8 / 中 00 1
三 ,细 菌数 量在 土壤微 生物 组成 中 占绝对 优势 。各 类群 微 生物 数 量 占微 生物 总数 的 比例排 序 为 细菌> 放线 菌> 菌 。 真 不 同放 牧 处理 土 壤微 生 物 数量 分 布 不 同 ,0~ 1 c 0 m土 层 的 微 生 物 总 数 以 G . 居 最 多 ,达 O0 0 1 . x 0 干土 , . 居 最少 , l .1 1。 干土 ; 94 。 41 G04 6 达 37 × 0/ g
过氧化氢酶呈显著负相关 ( P<00 ) .5 。 关键词 :草甸草原 ;放牧梯度 ;微生物数量 ;微生 物生 物量 ;酶活性 ;土壤 中图分类号 :S 5 - 143 文献标志码 :A 文章编号 :17 —9 6( 0 1 20 5 .7 6 45 0 2 1 )0 .2 90
呼伦贝尔草甸草原是我国重要的畜牧业生产基 地 ,亦是重要的生态屏障 ,其功能的正常发挥对维 持全球及 区域性生态系统平衡有极其重要 的作用。 但近年来 ,由于长期过度放牧和刈割等人类活动的 强烈 干扰 ,草 原生 态环 境恶 化 ,草原 退化 现 象 日趋 严 重 _。放 牧是 草地 利 用 的最 主要 方式 。放牧 家畜 l J 践踏不仅对草原植被与土壤产生影响 , 还可 以影响 土壤养分的循环、土壤微生物的活动【 j 土壤微生 2。 。 物是 草原 生态 系统 的重 要组 成部 分 ,是 土壤 有机质 与土 壤养 分转 化 和循环 的 动力 。土壤 微生 物及 土壤 酶潘 『是评价土壤肥力 的重要指标【 、 生 4 土壤健康状 . 引 况 的敏感 性参 数 l;因此 ,土壤 微 生物 和 土壤 酶 活 6 性 一 直是 土壤微 生物 生态学 研究 的重 要领 域 。 J

土壤微生物功能群及其研究进展


3 土壤微生物功能群的国内外研究进展
国外, Matsumoto 等[7]对林地土壤微生物功能群, 特
结果。
4 土壤微生物功能群研究方法进展
别是与 C、N 和 P 循环密切相关 功能群的动 态进行了
土壤微生物研究已从传统的微生物分离培养到
研 究, 认为植物 演 替 影 响 微 生 物 功 能 群 的 组 成 , 且 溶 荧 光 技 术 、PCR- RFLP、PCR- SSCP、PCR- DGGE
1 土壤微生物功能群的概念
“功能群”最早 由 Grime[9,10]应用于植 物生 态 研 究 , 把植物分为杂草( ruderals) 、竞争者( competitors) 和压力
能群, 即在物质流中具有特定生物学功能的微生物集 合体, 这种分类与生物分类学原则无关, 只是指它的 生物 学功能 相 同 或 相 近 , 如 固 氮 微 生 物 功 能 群 、溶 磷 微 生 物 功 能 群 、氨 化 微 生 物 功 能 群 及 纤 维 素 降 解 微 生
因此把与生态系统营养循环和土壤肥力密切相关的土壤微生物以功能为单位进行研究有利于了解其数量动态及影响因子可以更好的利用其促进生物地球化学循环减缓或阻止土壤退化促进植物子系统与土壤子系统的耦合促使植物的恢复和治理以及提高其生物学功能均有重要的理论和实践意义
[2]。近年来, 对于土壤微生物的研究主要集中在土壤微 放 养 分 , 作 为 养 分 的“ 源 ”, 从 而 影 响 生 态 系 统 中 能 量
生 物 与 植 被 的 关 系 、土 壤 微 生 物 季 节 动 态[3-6], 特 别 是 流 和 物 质 流 , 进 而 影 响 到 生 态 系 统 中 植 物 营 养 、植 物
因此, 把与生态系统营养循环和土壤肥力密切相 反硝化细菌和反硫化细菌等在每种土壤环境中的组

矿区复垦土壤微生物多样性研究进展


成 、促进或抑制植物生长等功能。土壤微生物功能 的 的转换 、动植物残体 的分解以及土壤环境质量的改
多 样 性不 仅 是 反 应 微生 物群 里 构成 和功 能 的指 标 , 善具有重要意义 。不同学者从农 田土壤 、荒漠草原土
也是反映土壤肥力和质量健康的重要参数 ,在整个 壤 、东北 黑 土 、林 地 土壤甚 至 高原 冰川 土壤 都进 行 了
面沉 降 、重金 属污染 、固体废弃 物堆放 导致 矿 区生 态 相 互 作用 的多样 化程度 ,是 土壤生 态 系统 的一个 基
环境 急剧退 化 ,生态恢 复 已成为矿 区可 持续 发展 的 本 生命 特征 ,存 在 于基 因 、物 种 、种 群 以及 群 落 四 个
收稿 日期 :2018—03—15 作者简介 :弋嘉喜(1992一),男,陕西华县人 ,助理工程师,主要从事土地工程及相关研 究。
生物量氮等多样性 ,它直接影响微生物功能的多样
矿 区复 垦土 壤 问题 长期 以来 是 国 内外学 者 的研
性 。这 也是 微生 物 代谢 和生 理功 能多 样化 的直 接 内 究 重点 。 国 内外 学者 通过 对矿 区复 垦 土壤理 化 性质
在原因。土壤微生物的遗传多样性是土壤微生物在 研究着手 ,在矿区复垦土壤诊断修复方面取得了丰
中存 在密 切联 系 ,是 土壤生 态系统物质持续循环存在 1 土壤微生物多样性的科学内涵
的重要动力圈。土壤微生物多样性是反应土壤结构和土
所说 的土壤微 生物 多样性 ,就是 指 土壤 生态 系
壤 质量 的重要 指标 。矿 业开采 造成 的地 表裂缝 、地 统 中所有 的微 生物 种类 以及这 些微 生物 与环境 之 间
资源 环 境 一 V ZiyuanHuanjing

不同耕作方式对土壤微生物量和土壤酶活性的影响_王晓凌

28
安徽农学通报 , Anhui Agri1Sci1Bull12007, 13 ( 12) : 28 - 30
不同耕作方式对土壤微生物量和土壤酶活性的影响
王晓凌 陈明灿 张 雷
(河南科技大学农学院 ,河南洛阳 471003)
摘 要 :采用大田试验 ,研究了不同耕作方式对土壤微生物量及酶活性的影响 ,结果表明 :不同耕作方式对土壤微生 物量和土壤酶活性有显著的影响 。与常规耕作相比 ,免耕 、沟播显著提高了土壤的微生物量碳和氮的含量 ,以及土壤 过氧化氢酶 、蔗糖酶 、脲酶 、蛋白酶活性 ;而套作显著降低了土壤的微生物量碳和氮的含量 ,以及土壤过氧化氢酶 、蔗 糖酶 、脲酶 、蛋白酶活性 。土壤有机物质输入量少 ,土壤耕作是套作土壤微生物量和土壤酶活性低的主要原因 。 关键词 :免耕 ;秸秆还田 ;土壤微生物生物量 ;土壤酶活性 中图分类号 S3441 16; S1541 3; S1541 2 文献标识码 A 文章编号 1007 - 7731 (2007) 12 - 28 - 03
速率除 MBC表示 。 11212 土壤酶活性 分别于 2003年 9月和 2004年 9月 取 0 - 20cm土层土壤样品来测定土壤尿酶活性和土壤蛋 白酶活性 。脲酶活性用靛酚比色法测定 ,以 NH3 - N mg/ g (37℃, 24h) 表示 ; 蛋白酶活性用茚三酮比色法测定 , 以 NH2 - N mg / g(37℃, 24h)表示 。土壤全氮含量用 LecoCR - 12 Analyzer测定 。图表中的数据均为平均值 ,试验数据 采用 SAS(6112)统计软件进行分析 。 2 结果与分析 211 不同耕作方式对土壤有机碳与全氮含量的影响 有 机质主要来源于动物 、植物 、微生物的残体和有机肥料 ,是 土壤的重要组成部分 ,是土壤肥力的基础 。图 1 可知 ,免 耕与沟播土壤中有机碳含量显著高于套作和常规耕作土 壤中有机碳含量 ;套作与常规耕作之间不存在显著差异 。 一般来说耕作不利于土壤有机碳的保持 ,一方面由于耕作 会使土壤有机碳暴露于空气而失去保护作用 [2, 3 ] ,另一方
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第36卷第8期2016年4月生态学报ACTAECOLOGICASINICAVol.36,No.8Apr.,2016基金项目:国家自然科学基金项目(41230750);中国科学院战略先导专项B课题(XDB05010200)收稿日期:2014⁃10⁃26;㊀㊀网络出版日期:2015⁃㊀⁃㊀∗通讯作者Correspondingauthor.E⁃mail:cuixy@ucas.ac.cnDOI:10.5846/stxb201410262093车荣晓,王芳,王艳芬,邓永翠,张静,马双,崔骁勇.土壤微生物总活性研究方法进展.生态学报,2016,36(8):㊀⁃㊀.CheRX,WangF,WangYF,DengYC,ZhangJ,MaS,CuiXY.Areviewonthemethodsformeasuringtotalmicrobialactivityinsoils.ActaEcologicaSinica,2016,36(8):㊀⁃㊀.土壤微生物总活性研究方法进展车荣晓1,2,王㊀芳1,王艳芬1,邓永翠3,张㊀静1,马㊀双1,崔骁勇1,∗1中国科学院大学,北京㊀1000492格里菲斯大学,布里斯班㊀41113南京师范大学,南京㊀210023摘要:微生物总活性是指在某一时段内微生物所有生命活动的总和,它直接决定着微生物行使生理㊁生态功能的能力,是微生物学研究的热点,也是难点㊂迄今为止,还没有建立直接测定微生物总活性的方法,只能用一些相关指标来间接反映它㊂目前常用的指标主要包括微生物的呼吸速率㊁生长速率以及胞内RNA含量等㊂与其它一些基质和环境相比,测定土壤中的微生物总活性更为困难㊂通过总结研究土壤微生物总活性常用的三种方法,在简略概括传统的土壤微生物呼吸测定法的基础上,详细介绍了放射性同位素标记法和RNA直接表征法的原理和操作流程,整理归纳了一些重要应用案例,比较分析了不同方法的优缺点,以期为选择研究土壤微生物总活性的适宜方法提供依据㊂关键词:土壤微生物;微生物总活性;土壤微生物呼吸;微生物生长活性;土壤RNAAreviewonthemethodsformeasuringtotalmicrobialactivityinsoilsCHERongxiao1,2,WANGFang1,WANGYanfen1,DENGYongcui3,ZHANGJing1,MAShuang1,CUIXiaoyong1,∗1UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China2GriffithUniversity,Brisbane4111,Australia3NanjingNormalUniversity,Nanjing210023,ChinaAbstract:Totalmicrobialactivity(TMA)insoilsisvitalforunderstandingtherolesofmicroorganismsinecosystemprocesses.Itcanbedefinedasthesumofphysiologicalactivitiesofallthemicrobesatagivenmoment.AsTMAisdifficulttomeasuredirectly,aseriesofproxies,suchasrespirationrates,growthrates,andcellularRNAconcentration,havebeenproposed.Here,methodsusedtomeasuresoilTMAaresynthesizedandcompared.(1)Respirationmaybetheprocessmostcloselyrelatedtolifeactivities.Thus,respirationratesarethemostcommonlyusedproxiesofsoilTMA.Themainlimitationisthatcurrentmethodstodeterminerespirationratesusuallycannotaccuratelyreflectactualrespirationrates.WhenrespirationratesaremeasuredusingCO2productionorO2consumptionrates,theyindicatecarbonmineralizationoraerobicrespirationrates,respectively.(2)Microbeswithhighergrowthratesareusuallymoreactive.Thus,growthratesarealsowidelyusedtoindicatesoilTMA.Asbiomacromoleculesynthesisisapproximatelyproportionaltomicrobialgrowthrates,incorporationofradioactiveisotopelabeledprecursors(i.e.,thymidine,leucine,andacetate)canbeemployedtoestimatemicrobegrowthrates.Generally,traceradioactivelylabeledprecursorsareaddedtoslurries(traditionalmethods)orextractedmicrobialsuspensions(Bååthᶄsmethods).Afterabriefincubation,microbesarekilledandthecorrespondingbiomacromoleculesareextractedtomeasuretheirradioactivity.Thymidineandleucineincorporationarecommonlyusedto网络出版时间:2015-08-24 09:59:53网络出版地址:/kcms/detail/11.2031.Q.20150824.0959.002.html2㊀生㊀态㊀学㊀报㊀㊀㊀36卷㊀measureheterotrophicbacterialgrowthrates,whileacetateincorporationisusedtoestimategrowthratesofsaprotrophicfungi.Radioactiveisotopelabelingmethodsarerobusttoolstoestimatethegrowthratesofsoilmicrobes.However,onecriticalproblemisthatTMAincludesbothgrowthactivityandnon-growthactivity,whereasthesemethodsonlyreflecttheformer.(3)Evidently,noneofthemethodsbasedonrespirationratesorincorporationofradioactiveisotopelabeledprecursorscanaccuratelylinkmicrobialactivitywiththeiridentities.However,thisissuecanberesolvedthroughusingmethodsbasedonRNA.RNAcorrelatescloselywithproteinsynthesis,whichisinvolvedinmostmetabolicprocesses.Therefore,RNAconcentrationisassumedanidealindicatorofmicrobialactivity.Generally,mRNAcanbeusedtoindicatetheactivityofspecificmetabolicprocesses,includingnitrogenfixationanddenitrification,whereasrRNAisaproxyofsoilTMA.AscellularconcentrationsofsmallsubunitrRNA(SSUrRNA)areproportionaltototalcellularrRNAconcentrations,SSUrRNAcopiescanserveasanindicatorofsoilTMAandtheratioofSSUrRNAcopiestoSSUrRNAgenecopiescanbeusedtodetermineaveragemicrobialactivityinsoil.Additionally,activemicrobialcommunitystructurecanbeillustratedusingprofilingmethods,suchasclonelibrary,T⁃RFLP,andhigh⁃throughputsequencing,basedonSSUrRNA.Theseapproachescansimultaneouslyidentifysoilmicrobesandtheiractivityviainsitumeasurements.However,thereisstillnoadequateevidencetosupporttheassertionthatthemethodsbasedonSSUrRNAcanaccuratelyreflectmicrobialactivity,especiallyfornon⁃growthactivity.Inconclusion,noneofthesemethodsareperfecttodeterminesoilTMA;andacombinationofsuitablemethodsshouldbeselectedforindividualecosystems.KeyWords:soilmicrobes;totalmicrobialactivity;soilmicrobialrespiration;microbialgrowthactivity;soilRNA当前微生物生态学的研究正从两个方面展开:即微生物多样性和微生物功能,前者关注特定环境中的微生物群落结构,广泛采用分子生物学研究方法,并取得了显著进展;后一方面的研究深化了我们对微生物介导的特定生态过程的理解㊂微生物生态学研究的最终目标是建立微观尺度的微生物群落结构与宏观尺度的生态系统功能之间的联系,而微生物活性正是整合两者不可或缺的纽带㊂鉴于其极端重要性,微生物活性已经成为相关研究必须测定的基本指标,粗略检索发现,近些年每年都有上百篇生态㊁环境㊁土壤等方面的研究论文测定了微生物活性,但是基于研究目的和实验条件的不同,微生物活性的内涵和测定方法也有很大的差异,因此迫切需要界定微生物活性的含义,完善和开发微生物活性的测定方法㊂微生物活性又称为微生物代谢活力[1],严格意义上是指微生物在某一时段内所有生命活动的总和,或在环境介质中微生物介导的所有过程的总和㊂从上述定义可以看出,直接测定微生物活性近乎是不可能的㊂基于此,绝大部分研究用特定代谢过程的速率来反映微生物的特定活性,如跟氮素转化相关的固氮活性[2]㊁硝化及反硝化活性[3],与碳转化相关的纤维素分解活性[4]等㊂这些研究为理解微生物在生态系统的特定功能过程中的作用提供了重要基础,但是往往不能反映环境中微生物整体的代谢状态和综合生态系统功能㊂另一些研究则试图寻找相关指标(proxy),间接反映微生物的总活性[5⁃7]㊂任何生命活动都需要能量供给,因此与能量供给相关的指标可以用来表征微生物总活性㊂这些指标主要包括微生物的ATP含量㊁呼吸速率等㊂由于ATP指征法存在较大的缺陷,现在更多采用呼吸速率反映微生物总活性[8⁃10]㊂通常认为微生物活性与生长速率有正相关关系,即生长速率快的微生物具有更高的活性,所以微生物的生长速率也已成为表征微生物总活性的重要指标之一㊂早先的研究多采用平板计数或测量微生物生物量等方法测定微生物的生长速率,这些方法效率较低,已逐渐被放射性同位素标记法取代[6]㊂RNA与生物体内各种酶的合成密不可分,而酶是生命活动的主要承担者,随着RNA提取和定量方法的发展,用微生物胞内RNA浓度来表征微生物总活性的方法逐步完善,并被推广应用[5]㊂相比于其他环境介质,土壤基质具有更为复杂的组成和结构,对微生物总活性的测定有较大的干扰,测定更加困难㊂目前有关土壤微生物总活性的研究主要采用土壤微生物呼吸测定法㊁放射性同位素标记法及RNA直接表征法进行,其中土壤微生物呼吸测定法作为研究微生物总活性的经典方法已为国内外研究者所熟知,而放射性同位素标记法和RNA直接表征法出现的时间相对较短,虽然在国际上已有大量的研究和应用[5⁃6],但在国内尚未见该方法的研究报道㊂在此,我们简要概述土壤微生物呼吸测定法,详细介绍放射性同位素标记法和RNA直接表征法在研究微生物总活性中的应用,比较各方法的优缺点,供微生物生态学㊁环境科学和微生物工程等领域的相关研究人员参考㊂1㊀土壤微生物呼吸测定法微生物呼吸是指微生物通过分解有机物质产生能量的过程,它是微生物几乎所有生命活动的能量来源㊂因此,呼吸作用的强弱在很大程度上可以反映微生物的总活性,而基于呼吸速率的微生物活性测定也已成为土壤微生物研究最常用的方法之一㊂土壤微生物呼吸速率常用的测定方式有三种:CO2释放速率㊁O2消耗速率和呼吸引起的温度变化,其中尤以前两种方法最为常用㊂为排除动㊁植物的影响,土壤微生物呼吸速率多在非原位状态下测定:即采集土壤样品,去除其中的植物根系后,置于一定的温度㊁水分等条件下培养㊂在此过程中CO2或O2浓度的变化一般采用气相色谱仪㊁红外气体分析仪(IRGA)㊁氧电极或专门的呼吸仪等仪器测定[7],温度变化的测定则需要高精度测温装置[7]㊂微生物呼吸测定能较为准确地反映微生物总活性,且技术要求低,因此最早得到广泛的应用㊂呼吸作用是碳循环的重要环节,CO2是呼吸作用的主要产物,又是最主要的温室气体之一,随着全球变暖问题日益凸显,微生物在碳素转化中的作用愈发广受关注㊂测定微生物呼吸既能反映土壤微生物总活性,又能表征其在碳素转化中的生态功能,因此该方法至今仍是测定土壤微生物活性最常用的方法之一㊂在测定土壤微生物呼吸速率的同时,结合多种土壤酶活性的分析[11⁃13],可以更准确地反映和理解土壤微生物总活性㊂微生物呼吸测定法也存在明显的缺陷㊂首先,CO2生成速率或O2消耗速率实际上反映的是有机碳矿化速率和有氧呼吸速率,与真实的微生物呼吸速率之间可能会有较大偏差[14];而测定土壤温度的变化又难以排除环境温度变化的影响,应用范围较窄㊂其次,要准确测定土壤微生物呼吸必须消除植物根系呼吸和土壤动物呼吸的影响,导致该方法难以实现原位测定㊂再次,该方法不能获得活性微生物种类的信息,不能建立微生物总活性与活性微生物种类之间的联系㊂综上所述,该方法适用于土壤动㊁植物干扰较少,又不需要了解土壤活性微生物种类的研究㊂基于CO2生成速率的土壤微生物总活性测定适用于有机碳作为微生物的主要能源的土壤;基于O2消耗速率的方法则更适用于通气性良好㊁微生物以有氧呼吸为主的土壤;而基于温度变化的测定方法,因为需要设置无呼吸对照,则更适用于室内培养实验㊂2㊀放射性同位素标记法通常生长速率快的微生物也具有更高的代谢活性,因此生长速率也是表征微生物总活性的常用指标之一㊂微生物大分子的合成速率与微生物的生长速率有很好的相关性,由于放射性同位素检测的灵敏度很高,在环境中只需添加痕量的放射性同位素标记的大分子前体物质,经短时间孵育后,通过测定微生物体内相应大分子物质的放射性活度,就可以反映微生物的生长速率㊂该类方法由于只添加痕量的前体物质,在孵育阶段对微生物的生长㊁代谢影响较小,因此成为测定微生物生长速率的常用方法㊂经过大量尝试和筛选,目前应用最多的前体物质为胸腺嘧啶核苷(TdR)㊁亮氨酸(Leu)以及醋酸盐㊂在土壤微生物研究中,放射性胸腺嘧啶核苷标记法㊁放射性亮氨酸标记法常用于测定土壤细菌的生长速率;放射性醋酸盐标记法常用于测定真菌的生长速率(表1)㊂胸腺嘧啶核苷是DNA合成的前体之一,与微生物的分裂㊁增殖密切相关㊂早在1974年Thomas等就已使用放射性胸腺嘧啶核苷标记法测定土壤微生物的生长速率[15],该方法曾一度成为研究水生环境中微生物生长速率的标准方法㊂但近期有研究发现,很大一部分微生物并不能吸收胞外胸腺嘧啶核苷,因此该方法测定3㊀8期㊀㊀㊀车荣晓㊀等:土壤微生物总活性研究方法进展㊀4㊀生㊀态㊀学㊀报㊀㊀㊀36卷㊀的结果不能准确反映微生物总活性[16]㊂表1㊀放射性同位素标记法测定土壤微生物活性的主要应用案例Table1㊀Somestudiesofsoilmicrobialactivitybasedonradioactiveisotopelabeling生态系统类型ReferencesProcedure参考文献Researchobjects标记的前体物质Labelledprecursors操作流程Ecosystemtypes研究对象农田Farmland细菌3H⁃LeuBååthᶄs流程[29]农田Farmland细菌3H⁃Leu3H⁃TdRBååthᶄs流程[25]农田Farmland真菌14C⁃醋酸盐传统流程[25]农田Farmland细菌3H⁃LeuBååthᶄs流程[30]农田Farmland真菌14C⁃醋酸传统流程[30]农田Farmland细菌3H⁃LeuBååthᶄs流程[31]农田Farmland真菌14C⁃醋酸传统流程[31]森林Forest细菌3H⁃LeuBååthᶄs流程[32]草地Grassland细菌3H⁃LeuBååthᶄs流程[33]草地Grassland细菌3H⁃LeuBååthᶄs流程[34]湿地Wetland细菌3H⁃LeuBååthᶄs流程[27]草地Grassland细菌3H⁃LeuBååthᶄs流程[27]森林Forest细菌3H⁃LeuBååthᶄs流程[35]草地Grassland细菌3H⁃LeuBååthᶄs流程[36]草地Grassland真菌14C⁃醋酸盐传统流程[36]荒漠Desert细菌3H⁃LeuBååthᶄs流程[37]亮氨酸是蛋白质合成的前体之一,与微生物的生长㊁代谢关系密切㊂环境中绝大多数微生物都能直接利用胞外亮氨酸[16],而且微生物胞内蛋白质含量要显著高于DNA含量,所以亮氨酸标记法已有取代胸腺嘧啶核苷标记法的潜势[17]㊂尽管在有些研究中两种方法得到的结果较为一致[18⁃19],但在另外一些研究中这两种方法测得的微生物生长速率差异较大[20⁃21]㊂我们建议最好将两种方法结合起来进行土壤微生物总活性研究,在条件无法满足时应优先考虑使用放射性亮氨酸标记法㊂醋酸盐是真菌麦角固醇合成的前体物质㊂尽管并不是只有真菌才能利用醋酸盐,但是麦角固醇却是真菌所特有的,是其细胞膜的重要组分㊂因此,可以通过分离并测定麦角固醇的放射性活度,排除其它微生物的影响㊂基于此,放射性醋酸盐标记法可用于测定真菌的生长速率㊂Pennanen等在1998年首次使用这一方法研究土壤中真菌的生长速率[22],此后,该方法被广泛应用于此类研究中[23⁃25]㊂应用放射性同位素标记法测定土壤微生物总活性的传统方法不需要分离提取土壤微生物,而是直接向用蒸馏水制备的土壤悬浊液中施入放射性标记的前体物质㊂此后Bååth改进了这一方法,先将土壤中的微生物使用 混匀 离心 的方法提取出来,之后再进行放射性同位素标记[26]㊂流程改进后可以有效地排除同位素标记物质被土壤颗粒吸附引起的干扰[6]㊂现在,胸腺嘧啶核苷和亮氨酸标记法一般采用Bååth改进的流程[27],但由于从土壤中提取真菌的效率较低,采用醋酸盐标记法研究土壤真菌总活性时一般采用不提取真菌的传统流程㊂不管采用传统方法还是Bååth改进的方法,在放射性同位素标记的前体加入之前都要将待测体系置于测试温度下稳定10分钟左右;在施入放射性同位素标记的前体后,根据实验需要选择合适的孵育时间(一般Leu和TdR标记法为1 2小时;醋酸盐标记法为4小时左右);孵育结束后向体系中加入适量5%的福尔马林,杀死微生物并终止反应;之后选用合适的方法提取相应的大分子物质(Leu标记法需提取蛋白质;TdR标记法需提取DNA;醋酸盐标记法则需要提取麦角固醇),并溶于NaOH溶液[28];最后用液体闪烁仪测定相应大分子物质的放射性活度,并结合孵育时间计算微生物的生长速率[26]㊂Rousk等已经对放射性同位素标记法的应用案例做了较为详尽的总结[6],我们在此不再赘述,仅对近年的研究做了一些简单补充(表1)㊂可以看出,该方法在农田㊁草地以及森林等主要陆地生态系统类型上都有着广泛的应用㊂如前所述,现在土壤细菌生长速率和活性研究多采用放射性亮氨酸标记法,仅有一个研究结合了放射性亮氨酸标记法和放射性胸腺嘧啶核苷标记法[25]㊂为提高同位素标记法的检测效率和灵敏度,现在细菌生长速率的测定一般采用Bååth改进的操作流程;而因为从土壤中提取真菌难度较大,真菌的相关研究多采用传统操作流程的放射性醋酸盐标记法㊂应用放射性同位素标记法测定土壤微生物的生长速率和总活性有两个问题备受关注:一是该方法的测量结果能在多大程度上反映原位的状况?针对这一问题开展的研究表明,改变一些重要的环境条件,微生物仍然能够在数小时内维持其原有的生长速率不变,并且该方法的操作环节较易完成,一般对测定结果的影响很小[26,38⁃39],因此,其测定结果可以较为准确地反映土壤原位真实的微生物生长速率和总活性㊂第二个问题是,该方法能否特异性地测定土壤细菌或真菌的总体生长速率和总活性?研究发现,不管采用传统操作流程,还是采用Bååth改进的流程,TdR或Leu标记法都能特异性地测定土壤细菌的生长速率和总活性[39⁃40]㊂由于麦角固醇是真菌所特有的,所以醋酸盐标记法测定真菌生长速率和总活性的特异性也较好㊂当然,应用放射性同位素标记法测定土壤微生物总活性也存在三个无法避免的缺陷㊂首先,放射性同位素可能会给待测微生物造成较大损害,从而影响测定结果㊂其次,该方法无法给出微生物的种类组成信息,只能得到较单一的土壤微生物总体生长速率结果㊂第三,微生物生长速率并不完全等价于微生物活性[5],微生物生长速率能在多大程度上表征微生物总活性也是最值得关注的问题和研究课题㊂事实上,微生物活性由生长活性和非生长活性两部分构成,而微生物生长速率仅能反映微生物的生长活性㊂已有研究发现微生物在某些胁迫条件下会提高自身的非生长活性[41],而且土壤中的微生物绝大部分都处于非生长状态[42⁃43],没有生长活性,只有非生长活性㊂因此,直接用微生物生长速率表征微生物活性有时会产生较大偏差㊂综上所述,放射性同位素标记法在测定微生物生长速率方面有较大优势,但作为微生物总活性的间接指标,由于其只能指示生长活性,存在较大的局限性㊂可以用于近似表征营养供应及其它环境条件良好㊁微生物生长活性占主导的土壤中微生物的总活性㊂3㊀RNA直接表征法蛋白质是绝大多数生命活动的直接承担者,在翻译过程中,信使RNA(mRNA)是模板,转运RNA(tRNA)是搬运氨基酸的工具,核糖体RNA(rRNA)是构成翻译工厂的核心组件,它们与蛋白质合成关系极为密切,因此通过RNA来反映微生物活性已成为一种重要的研究手段[5]㊂在微生物活性的研究中,mRNA常用于表征某一特定代谢过程的活跃程度,而rRNA可用于表征微生物总活性,也是本文讨论的重点㊂用RNA测定土壤微生物总活性有其独有的优势:能同时获得微生物的代谢活性信息和活性微生物群落结构信息;不需要孵育过程,原位测定简单易行㊂因此该方法已经被广泛采用,2013年的评述论文报道当时已经检索到用该方法研究微生物总活性的报道100余篇[5]㊂rRNA直接表征法测定微生物总活性有着坚实的理论基础和一定的实验依据㊂首先,rRNA是核糖体的核心组分,是蛋白质合成的催化中心,因此胞内rRNA的量与胞内蛋白质合成速率有着紧密的关系㊂其次,已有研究显示多种微生物胞内rRNA的含量与其生长速率㊁代谢活性有高度相关性[44⁃46]㊂再次,微生物的死亡和休眠往往伴随着rRNA的降解[47⁃48],只有活性微生物中存在大量rRNA㊂早期的研究多测定rRNA的总量来表征微生物总活性,而现在多趋向于直接分析SSUrRNA的拷贝数来表征微生物总代谢活性㊂这是因为微生物体内SSUrRNA(核糖体小亚基rRNA)与rRNA总量有良好的线性相关关系,而且SSUrRNA基因是微生物研究中应用最广泛的分子标记㊂通常16SrRNA用于表征土壤细菌和古菌总活性;18SrRNA则用于表征土壤真菌总活性㊂SSUrRNA表征法测定微生物总活性的操作流程如下:(1)土壤样品采集;(2)土壤总RNA和土壤总DNA提取;(3)土壤总RNA反转录;(4)实时荧光定量PCR测定SSUrRNA基因和SSUrRNA的拷贝数;(5)通过克隆文库㊁末端限制性片段长度多态性(T⁃RFLP)㊁高通量测序等技术确定土壤活性微生物的群落组成㊂其中5㊀8期㊀㊀㊀车荣晓㊀等:土壤微生物总活性研究方法进展㊀6㊀生㊀态㊀学㊀报㊀㊀㊀36卷㊀样品保存㊁RNA提取及活性表征方式需要特别注意㊂1)样品的保存问题㊂相比基于DNA的微生物生态学研究,用于RNA研究的土壤样品的保存要求更为严格㊂通常要求样品在采集后即刻进行液氮速冻;在运输过程中无法实现液氮保存时,可用干冰冻存作为短期的替代选择;实验室内则要求-80ħ冻存㊂此外,现在有很多试剂公司已推出RNA保护液类产品,可抑制RNA的合成和降解,实现常温下样品的短期保存㊂不当的保存方法可能引起RNA降解,甚至导致试验失败,对此我们不做深入讨论㊂更为严重的是保存方法不当还会造成实验假象㊂过高的保存温度 例如简单的冷冻保存或常温保存 并不能完全阻止微生物体内RNA的合成与降解㊂而通常样品保存的条件与土壤原位环境条件差异较大,这会导致测定时样品中的RNA实际反映的是样品保存条件下的微生物活性状态,而非采样时土壤原位条件下的微生物活性状态㊂常见的实验假象有16SrRNA表征的活性细菌群落比16SrRNA基因表征的总细菌群落的种间亲缘关系更近,微生物总活性在各处理间无显著差异等㊂总结近期用rRNA直接表征法研究土壤微生物活性的报道(表2),结果显示用液氮或-80ħ保存土壤样品时,活性微生物群落结构能反映试验处理间的差异,我们待发表的数据也证实增温会显著改变活性细菌的群落结构(土样为液氮保存)㊂在较高温度下保存土壤样品,则可能降低实验结果的可信度㊂例如,Männistö等研究积雪在不同月份对活性微生物群落的影响[49],五月份采集的土壤样品保存在4ħ,六月份的样品在环境温度下保存,结果发现五㊁六月份的土壤活性细菌群落结构差异较大㊂虽然作者在文中提及他们所采用的土壤保存方法不会影响用rRNA研究土壤细菌群落结构,但是我们很难辨别这种群落差异是不是因为样品保存方式不当所造成的假象㊂再如Angel等调查沿降水梯度的活性微生物群落[50],仅用冰盒保存土壤样品,结果发现活性微生物群落结构仅在水分含量不同的土壤间表现出差异,但有理由怀疑温度的效应可能被不当的保存方法造成的假象所掩盖㊂表2㊀RNA直接表征法测定土壤微生物总活性的主要应用案例Table2㊀SomestudiesofsoilmicrobialactivityusingmethodsbasedonSSUrRNA生态系统类型Totalmicrobialactivity参考文献ReferencesDatapresentation活性微生物群落结构Ecosystemtypes样品保存方法Preservingmethods数据表示方法Communitystructureofactivemicrobes微生物总活性灌木林未涉及[49]Shrubland常温或4ħ未涉及季节因素影响大地点之间无差异灌木林未涉及[50]Shrubland冰盒未涉及仅在土壤含水量不同的小区间有差异森林Forest保护液g-1土壤无差异无差异[51]草地Grassland-80ħ未涉及差异显著未涉及[52]森林Forest液氮ng-1DNA未涉及无差异[53]森林Forest液氮ng-1cDNA差异显著未提及[54]2)土壤RNA提取问题㊂土壤RNA有多种提取方法,刘华等总结了包括Trizol法㊁SDS⁃Phenol法和试剂盒法在内的多种方法[55]㊂对于有机质含量较高的土壤,我们建议优先选择试剂盒法;若采用常规方法则需用核酸纯化柱去除杂质㊂所提取RNA的质量多用1%的琼脂糖凝胶电泳检测,理论上会出现三条较亮的电泳条带,自上到下分别对应LSUrRNA(核糖体大亚基rRNA)㊁SSUrRNA和5.8/5SrRNA,mRNA等则呈弥散状分布于LSUrRNA条带下方㊂但实际上5/5.8SrRNA条带一般不可见,故电泳图谱出现两条清晰条带即可证明RNA提取是成功的(图1a)㊂由于在细胞内LSUrRNA和SSUrRNA的拷贝数之比为1,所以条带的亮度主要由片段的长度决定㊂因为28SrRNA长度为18SrRNA的2.4倍左右,所以真核生物中判别RNA提取质量的另一方法是根据两个条带的亮度,第一条亮带的亮度达到第二条亮带的两倍即为成功㊂但23SrRNA与16SrRNA长度比一般在1.8左右,所以原核生物RNA两个条带的亮度差异不是特别明显㊂此外,若在SSUrRNA条带上方仍有条带出现则证明所提取的RNA中混有残留的基因组DNA(图1b),需用DNA酶消化去除㊂图1㊀土壤RNA提取电泳图Fig.1㊀ElectrophoretogramofsoilRNA㊀a:正常的土壤RNA电泳图;b:有基因组DNA残留的土壤RNA电泳图3)活性表征的方式㊂推荐使用单位质量(一般为每克)干土中SSUrRNA的拷贝数表征土壤微生物总活性,用SSUrRNA与SSUrRNA基因拷贝数的比值表征微生物的平均活性㊂有些研究用每纳克核酸中SSUrRNA的拷贝数表征微生物总活性(表2),这种表示方法实际上反映的是土壤核酸的组成比例,与微生物活性关系不大㊂采用该指标并不合理,甚至可能会掩盖试验的处理效应,得出错误的结论㊂当然,用rRNA直接表征土壤微生物的活性也存在一定的风险[5]㊂首先,微生物胞内SSUrRNA含量与微生物活性之间的量化关系还未完全确立,仅有的少数研究也发现这一量化关系在不同微生物之间有较大的差异[5,56⁃58],因此在群落和生态系统尺度上是否有确定的关系还存在疑问㊂其次,尚未有研究确定微生物胞内SSUrRNA含量是否与微生物的非生长活性相关,因此SSUrRNA能否表征微生物总活性还需要进一步的试验验证㊂再次,因为土壤RNA和DNA一般是分别提取的,采用不同的方法体系,用SSUrRNA与DNA的比值表征微生物平均活性会因此产生不确定性[59]㊂SSURNA表征法在指示微生物总活性方面有很强的应用潜力,在表征活性微生物群落结构方面已有较为广泛的应用[60⁃61]㊂但一般认为该方法在微生物处于生长稳态时的使用效果最好,如果要应用于其他条件,则需要辅以其它验证性实验,以确立SSUrRNA拷贝数与微生物总活性的关系㊂4㊀结论综上所述,土壤微生物呼吸测定法㊁放射性同位素标记法和RNA直接表征法是基于不同的原理来指示土壤微生物总活性的,各有长处,同时也都有明显的缺陷(表3)㊂土壤微生物呼吸测定法非常适用于表征微生物总活性,但该方法的主要问题在于现存测定方法并不能真实反映微生物总的呼吸强度,但在通气性良好的土壤中,微生物呼吸方式大多为有氧呼吸,可以通过O2消耗速率近似反映微生物总活性;在微生物以有机碳作为最主要的能量来源时,CO2生成速率可以较好地反映微生物总呼吸㊂放射性同位素标记法测定的指标为生长速率,因此它适合于表征微生物的总体生长活性,也可在有利于微生物良好生长的环境中近似表征微生物总活性㊂在我国,由于放射性标记物质的购买㊁运输㊁环境释放和测定等受到极大的限制,该方法的生态学应用非常困难㊂RNA直接表征法相比于前两种方法有明显的优势,它既能原位测定微生物总活性,又能提供微生物种类组成信息㊂但是,目前在实验证据上对它能否准确地反映土壤微生物总活性还存在疑问㊂在方法的选择上需要根据实际情况综合考量,确定合适的方法开展土壤微生物总活性研究;在条件允许的情况下,建议将几种方法组合使用㊂表3㊀三种土壤微生物活性研究方法的比较Table3㊀Comparisonofthreemethodsformeasuringsoilmicrobialactivity研究方法Studymethods土壤微生物呼吸测定法Soilmicrobialrespiration放射性同位素标记法RadioactiveisotopelabellingRNA直接表征法RNAbasedmethods基本原理Principles生命活动的能量来源生长速率蛋白质合成原位测定Insitu否否能种类组成信息Speciesclassificationinformation否否能主要问题Mainissues已有的测定方法并不能真实反映微生物呼吸速率只能反映生长活性与微生物活性的关系缺乏足够的实验证据支持7㊀8期㊀㊀㊀车荣晓㊀等:土壤微生物总活性研究方法进展㊀。

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