微生物分子生态学
微生物生态学研究中的分子生物学方法
微生物生态学研究中的分子生物学方法微生物是地球上最为丰富、多样且广泛分布的生物，有着重要的生态功能。
在微生物生态学研究中，许多问题需要考虑微生物的多样性、生态学分布及其作用和适应性。
传统的微生物学研究通常依赖于纯培养和形态学特征进行分类和鉴定，但存在着很大的缺陷，许多微生物无法进行纯培养，而且在分布及功能上存在巨大的多样性和复杂性。
因此，利用分子生物学方法，在微生物生态学研究中推进更为深入的探索和解决问题尤为重要。
分子生物学方法已经成为微生物学研究中的常规手段。
其中，分子生态学作为微生物生态学研究的一个重要分支，是利用微生物群落的DNA序列来描述微生物的多样性和结构、分布模式、演化规律以及生态功能。
分子生态学是利用分子生物学技术，以微生物群落DNA为物质基础，分析微生物群落的结构及其变化和生态功能的研究领域。
常见的分子生态学方法有PCR-DGGE、PCR-SSCP、PCR-RFLP 等。
PCR-DGGE技术是一种评价微生物群落构成的分子生物学方法，也是分子生态学研究中最常采用的一种方法。
此技术通过扩增轮廓分析电泳，能够在不进行序列测定的情况下，迅速知道样品中微生物群落的构成情况。
DGGE是一种革命性的电泳技术，可以使得同样长度、不同序列的DNA分子发生不同程度的变性而达到不同的电泳迁移率，因此，能够从PCR扩增产物中分离出不同种群、不同数量的DNA序列，可用于分析种群的构成和动态变化。
PCR-SSCP技术是用来研究微生物群落中小亚基的分子生物学方法。
它可以通过分析不同峰的数量及大小，评估群落的多样性和结构。
其原理是在一定条件下，所有长度相同的PCR产物的突变体将由于核酸热变性、缺陷组态和电泳带电性质等不同而形成不同的电泳迁移率，从而显示在聚丙烯酰胺凝胶上。
PCR-RFLP技术是将PCR扩增的外显子或内含子序列用限制酶切法切开后，根据限制酶切后DNA片段的数目、大小、分布等特征，依据电泳迁移率或其他方式进行分离鉴定。
微生物学中的微生物资源和微生物分子生态学
微生物学中的微生物资源和微生物分子生态学微生物是地球上最早出现的生物体，祖先最可能是非细胞体的原核生物，具有非常灵活和多样的基因，随着演化逐渐演变成目前细菌、古菌、真核生物等三个领域，同时又派生出不计其数的亚型、种等。
虽然人类已经大规模研究微生物很多年，但微生物的汇聚现象、多样性和功能仍不为人类所完全掌握。
微生物资源是指自然界中的微生物，它们有利于人类的生产和生活。
微生物界种类多样，数量极其庞大，它们生存的环境和方式也非常复杂多样。
微生物资源主要包括抗生素、生物农药、生物肥料、微生物修复剂、微生物工程菌等。
微生物资源的主要价值在于它们能代替人类繁琐的工作，同时在很多领域中，微生物资源能为我们创造更好的生活。
而同样重要的是，微生物对于环境和生态的重要作用，其中微生物分子生态学就是一个十分重要的研究方向。
微生物分子生态学是指以基于微生物分子的研究方法为主的生态学，它通过对微生物群体结构和功能变化进行研究，探讨微生物的生态演化和种群动态变化，为研究各种生态环境提供生物学基础数据。
微生物分子生态学的研究对象包括环境微生物、肠道微生物、人体微生物群落、土壤微生物生态系统等。
研究方法包括PCR- DGGE 技术、微生物组学、微生物群落构成分析、功能基因组学等多种方法。
其中PCR-DGGE 技术是当前研究微生物分子生态学中使用较为广泛的一种，它可以检测微生物群体内已知或未知的细菌主要峰，通过检测各种峰的强度确定微生物群体的多样性指数、丰度等指标，为研究微生物群体评估生态演化及其生态重要性提供了一个快速和可靠的方法。
微生物分子生态学的研究发现，微生物通过累积基因的变异和重组等遗传方式，形成了非常复杂的群体结构，产生了一系列的群体效应。
而生态系统中生物与环境之间的相互关系非常复杂，微生物的活动对环境的影响不单单是直接生长和代谢所产生的物质变化，还包括在多种生物和非生物因素作用下产生的种群和交互效应，如融合、竞争和共生等。
微生物分子生态学及其应用
微生物分子生态学及其应用随着科技的不断进步和生物学研究的深入，微生物分子生态学逐渐成为了一个热门的研究领域。
微生物分子生态学是指通过分析微生物的分子组成和动态变化，揭示微生物间的相互作用及其与环境的关联，探索微生物生态系统的演变和调控机制的学科。
相较于传统的微生物学研究，微生物分子生态学能够更准确、更全面地研究微生物与环境间的关联，使得微生物的研究更具针对性。
微生物分子生态学通过分析微生物的分子生物学信息，可以深入探究微生物的生理、代谢、生态等各个方面，并进一步揭示微生物的生境分布、演化和生态功能。
这不仅有助于更深入地理解微生物的生态系统，也为微生物的应用研究提供了有力的支撑。
1. 微生物分子生态学的研究方法微生物分子生态学一般通过以下方法进行研究：（1）高通量测序技术高通量测序技术大大提高了微生物分子生态学研究的效率和准确度，尤其在微生物群落结构和功能的研究中应用广泛。
基于高通量测序技术，不仅能够分析微生物群落的构成，还可以揭示微生物间的相互作用及其与环境的关联。
（2）荧光原位杂交技术荧光原位杂交技术常用于微生物群落结构和空间分布的研究。
该技术通过使用荧光标记引物，能够将特定细菌、真菌或病毒等微生物直接标记并固定在试样中，观察其在不同空间中的分布情况，进而分析微生物间的相互作用。
（3）质谱分析技术质谱分析技术可以分析微生物的代谢产物，并结合高通量测序技术或荧光原位杂交技术等技术，深入探究微生物的代谢途径和功能。
2. 微生物分子生态学在环境保护中的应用微生物在环境保护中有着重要的作用，而微生物分子生态学则为环境保护提供了更加有效的手段。
（1）土壤污染修复土壤污染是一个长期而严重的问题，微生物可以分解或转化污染物，促进土壤的简易修复。
通过微生物分子生态学的研究，不仅可以深入了解微生物的生理代谢机制，还能针对特定污染物的生态功能和代谢途径，实现更加精准的修复。
（2）环境监测微生物群落是环境中的重要组成部分，通过对微生物群落的组成、分布和转化过程的研究，可以更加精准地评估环境状况。
微生物多样性的分子生态学研究
微生物多样性的分子生态学研究微生物多样性是指各种形态、类型、数量和功能各异的微生物在自然环境中存在的程度和组成，包括细菌、真菌、病毒等。
微生物是地球上存在时间最长，数量最多，功能最丰富的物种。
微生物多样性是自然生态系统的重要组成部分，对于维持自然生态平衡、促进农业、医药、环保等方面都具有重要的价值。
因此，微生物多样性的研究一直是生态学和环境科学中的重要研究方向。
分子生态学是生态学的一个分支学科，主要是利用分子生物学技术解决生态学问题的一种方法。
分子生态学的关键是将生物多样性和生态系统的结构、功能及其相互作用联系起来，通过研究DNA、RNA、蛋白质和代谢物等分子水平的细节，从而更加全面地了解生态系统的复杂性。
微生物多样性的研究需要从分子生态学的角度进行，利用现代分子生物学技术，对细菌、真菌、病毒等微生物进行分离、纯化、鉴定以及对其功能进行分析。
在微生物多样性的研究中，分子生态学扮演了重要的角色。
在过去，人们从微生物的外在形态、结构、生长特性等宏观特征入手，来进行微生物多样性的研究。
但是，由于微生物的数量巨大，形态、特征、环境适应能力高度多样，因此无法用传统的分类学方法来进行鉴定和分类。
而分子生态学的出现，则提供了新的思路和技术手段。
目前，分子生态学在微生物多样性研究中的应用主要有以下几个方面。
一、16S rRNA测序16S rRNA是所有细菌和古菌都具有的基因，与其它部位不同的是，16S rRNA序列具有相对保守和相对变异的两个区域。
利用PCR方法扩增16S rRNA序列，根据序列分析可以区分菌种、菌株、类系等信息。
16S rRNA测序是微生物分类学中一种现代的化学发展出来的技术，通过在不同生态系统中分离出的微生物，提取出它们的16S rRNA序列，利用生物信息学分析手段对其进行分类、鉴定和多样性研究。
通过16S rRNA测序，可以系统地研究微生物的多样性，探究微生物在不同环境中的分布和变化规律，探明微生物群落的组成和结构，揭示不同微生物之间的生态关系。
第5讲 环境微生物分子生态
高等环境微生物学
2、茎、叶和果实上的微生物
植物的茎、叶和果实为附生微生物种群提供了良好的栖息场所， 在植物的这些部分也发现有大量的异养细菌、光合细菌、真菌(特别 是酵母)、地衣和藻类等。
高等环境微生物学
3、植物的微生物病害——植物病原体
植物的绝大多数病害都与微生物有关，也就是说很多 微生物(病毒、细菌和真菌)可引起植物疾病，不仅会产生 严重的生态问题，也会造成重大的经济损失。植物病害甚 至还会引起饥荒和人口迁移。如1845年发生在欧洲特别是 在爱尔兰的马铃薯软腐病就引起了大规模的饥荒，造成了 约1/4人口的死亡，大量的移民从爱尔兰涌入北美。
高等环境微生物学
很多研究发现，根际周围微生物的数量远远高于周围土壤 中的微生物数量，同时，根际微生物的种类受植物的种类和根 分泌物的影响, 例如，在黄瓜和玉米的根际土壤中, 荧光假单胞 菌较高, 而在大麦根际, 恶臭假单胞菌的数量较高。73%－91％ 的根的分泌物可被周围微生物用做碳源和能源。苜蓿的生长促 进根际假单胞菌的生长，而假单胞菌能够合成假单胞菌素 （pseudobactin），进一步刺激根瘤菌的生长，加强微生物－ 植物的共生固氮作用，假单胞菌不仅仅生活在根的周围土壤中， 还能侵入根的表皮以下组织 。
根瘤(Nodules)、根瘤菌及联合固氮作用
固氮菌可以与许多植物，特别是豆科植物形成根瘤结构的共生关系。 根瘤中的固氮菌从植物根系中获取其他所需营养，但其最重要的作 用是可以将大气中的氮气转化成氨，以供植物及其本身生长所需。根瘤 中根瘤菌的固氮作用对于维持土壤肥力是极为重要的。在农业生产上， 可以用于提高作物产量。根瘤形成过程是根瘤菌与植物根系一系列复杂 的相互作用的结果。
高等环境微生物学
（二）种群内部的相互作用
微生物分子生态学的研究进展
微生物分子生态学的研究进展随着科技的不断发展，微生物分子生态学这门学科开始逐渐受到关注。
微生物是地球上存在最早的生物，其在许多方面都对人类和地球生态系统的生命健康产生着巨大的影响。
研究微生物分子生态学不仅仅可以帮助我们更好地了解微生物的生态环境和活动特征，还可以探究微生物与环境因素之间的相互关系以及它们对自然界和人类生命健康的作用，对微生物和它们与其他生物的相互作用进行全面深入的研究。
1. 微生物分子生态学的研究内容及意义微生物分子生态学研究的内容涵盖了微生物群落的构成、种类、功能、相互关系、多样性等方面。
通过对微生物宏、微观层面的研究，可以探究微生物群落的空间分布规律、资源利用策略和适应机制等，进而推动微生物生态学的发展。
微生物在生态学上的重要性是不可少的，它们在环境及人体内发挥着重要的作用。
微生物能够负责环境的分解与转化，并参与生态过程例如环境营养循环、物种间拮抗与协作以及防止病原菌侵略等。
此外，在医学上，微生物是许多疾病的致病因子，如污染水源或食物的病原体、导致感染的细菌、病毒或霉菌。
因此，通过微生物分子生态学的研究，我们可以了解微生物的分布规律与生境的关系，为我们预防和治疗疾病提供基础支持。
2. 微生物分子生态学研究的方法微生物分子生态学研究方法的发展是基于分子生物学方法，包括基于核酸和蛋白质的技术和荧光原位杂交等方法的应用。
这些技术可以为微生物分子生态学研究提供大量数据，并提取出具有生态学信息的分子信息。
通过分析微生物基因组组成、微生物群落与宿主间相互作用、微生物代谢产物的分析等，可以对微生物的生态系统进行全面分析。
这些技术可以从不同方面向我们展示微生物及其环境的如实信息，从中归纳出微生物的生态特征，并从中获得与微生物生态的密切关联信息。
3. 微生物分子生态学进展微生物分子生态学的最新进展已经涵盖了许多先进技术的应用，其中最受关注的是高通量测序技术、微生物代谢组分析技术。
高通量测序技术可以对微生物基因组进行大规模的测序，并对微生物代谢反应进行一系列分析与比较，这为我们更加深入理解微生物的生态环境和活动特征提供了新的视野。
第八章 微生物分子生态学
生物修复技 术的局限性
微生物活性受温度等环境条件的影响
8.3.2 生物修复技术的原理
生物修复的 微生物种类
土著微生物 降解污染物的潜 力大；其生长速 度慢，代谢活性 不高。 外来微生物 某些特定的降解 需要引进外来物 种，以便在极端 环境中生存。
基因工程菌 采用细胞融合等 遗传手段将多种 降解基因转入统 一微生物中，使 其获得较强的降 解能力。价廉和 易于使用。
寡核苷酸 探针 不能进行克隆，不能 检测突变点，但能检 测特定微生物。
单链分子，反应效率 高。但是易降解。
8.4.2 核酸分子（探针）杂交法
核酸分子杂交方法
液相杂交 固相杂交
参加反应的两 条核酸链游离 在溶液中。操 作简单，但误 差大。
杂交方法
一条链在固体 上固定上，另 一条游离在溶 液中。未杂交 物易去除，易 检测，能阻止 DNA自我复制
PCR扩增产 物分析技术
基因指纹图谱分析 将产物与载体 连接转入大肠杆菌 ，挑选出克隆的片 段进性多态性分析 。
序列测定及系统分析 针对筛选出的克 隆子进行核苷酸测定 ，依据序列进行分析 、构建系统进化树。
8.4.4 变性梯度凝胶电泳（DGGE)
原理：使用一种特异性的16rRNA基因，产生长度相同但序列不同的 DNA片段混合物，利用DGGE技术分离。
狭缝 杂交 夹心 杂交 斑点杂交 由于前面已经介绍了固相杂交的基本过程，这 些方法的具体过程原理是一样的。
组织原 位杂交 菌落原 位杂交 Southern 以及杂交
固相杂交方法
8.4.3 PCR扩增及产物多态性分析与序列测定
PCR扩增及产物分析技术主要是进行序列的分析和片段长度多态性分析。
PCR技术注意要点
微生物生态学分子微生物生态学研究热点
模拟原位生态条件的培养技术
Isolating “Uncultivable” Microorganisms in Pure Culture in a Simulated Natural Environment SCIENCE VOL 296 10 MAY 2002
The application of genomics and derivative technologies yields insight into ecosystems. The use of genomics, functional genomics,proteomic and systems modeling approaches allows for the analysis of community population structure, functional capabilities and dynamics.
Dehalococcoides ethenogenes, 清除有机溶剂造成的污染； Pseudomonas putida KT2440,在土壤有机污染物的生物修复中潜力巨大，该菌株甚至还能促进植物生长并具有抗植物病害作用； Alcanivorax borkumensis, 海洋石油消除。 Caulobacter crescentus, 应用于低营养水环境的生物修复；
分析复杂环境微生物群落结构的方法的最近进展：
02
任何微生物培养技术和培养基都不能完全再现全部微生物的自然生存环境，使用免培养技术和基因组技术，直接分离土壤系统中群落水平的未培养微生物DNA样品并建立相应的生态基因组库，通过高通量筛选技术进行大规模的新的重要功能基因的研究，鉴定参与污染物降解与转化、各种抗酸、抗盐、抗湿、抗旱及抗（耐）重金属毒害等抗逆特殊功能基因。 未培养微生物资源的开发利用越来越受到关注
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SARS：严重急性呼吸综合征（Severe Acute Respiratory Syndrome），也叫传染性非典型性肺炎，SARS是一种冠状 RNA病毒。
MERS： 中东呼吸综合征（ Middle East Respiratory Syndrome ），MERS-CoV，一种新型冠状病毒。截止2015 年5月25日，全球累计实验室确诊病例共1139例，其中431例 死亡（病死率37.8%）。
硝化细菌 硫细菌 污染物降解菌
遵循这一原理，在污水处理过程中，碳氮比要维持在 一定水平，如果保证碳氮比合适，可促进正常微生物菌群 的生长，抑制球衣细菌等丝状菌的生长引起的污泥膨胀等 问题。
（2）光影响微生物的分子生态学
光合微生物利用光能通 过光合磷酸化同化CO2生成 碳水化合物产生构建细胞的 物质和能量。
第2章：微生物分子生态学
2.1：微生物分子生态学概念 2.2：微生物分子生态学理论基础 2.3：微生物对外界环境的适应和调整 2.4：极端环境微生物适应性的机制及应用 2.5：微生物质粒的分子生态效应 2.6：微生物分子生态学研究方法
2.1：微生物分子生态学概念
微生物分子生态学是分子生物学实验技术应用于微生 物生态学研究领域而发展形成的一门交叉学科，在分子水 平上探讨微生物生态系统组成结构、功能的机理以及微生 物与生物和非生物环境之间相互关系。其核心问题是研究 微生物生存的环境分子生态效应和遗传分子生态效应。
（3）分子生态病毒学 分子生态病毒学是由分子生物学、分子生态学和分子
病毒学融合而成的新兴分子学科。
肿瘤病毒 癌基因致癌特征
RNA病毒的复制和致病
HIV
SARS
HIV：人类免疫缺陷病毒（Human Immunodeficiency Virus）， 是一种RNA病毒，该病毒破坏人体的免疫力，导致免疫系 统失去抵抗力，从而使得各种疾病及癌症在人体内生存，并 致人死亡。
已知的光合色素有三类：叶绿素或细菌叶绿素、类胡 萝卜素和藻胆素。光合细菌因所含的细菌叶绿素和类胡萝 卜素的量和比例不同，其菌体呈现红、橙、绿、蓝绿、紫 红、紫或褐等颜色。
营养因子对微生物的影响符合Liebig定律。
Liebig定律也称最小量定律， 由德国农业化学家Justus Liebig 提出，认为任何生物的总产量或 生物量取决于外界供给的所需养 分中数量最少的那一种。
遵循这一原理，我们可以有目的的促进有益微生物、 抑制有害微生物的生长。
遵循这一原理，我们可以有针对性的对环境样品进行 富集，得到所需的功能细菌。
微生物分子生态学研究范围
微生物进化
不可培养微生物
群落结构与多样性 极端环境微生物
基因转移
微生物与人类健康
抗生素抗药性
微生物资源
信号传递
等。
致病与免疫
2.2：微生物分子生态学理论基础
（1）微生物与外界因子之间的环境和遗传分子生态效应 微生物对环境以及环境中物质的耐受性和适应性是任
何其它生物不可比拟的，因此探讨微生物与环境之间的分 子生态效应是微生物分子生态学的根本任务。
光
辐射大气压pH 表面 Nhomakorabeamicrobe
氧化/还原电位
水活度
磁性
（1）营养因子对微生物的影响
微生物新陈代谢和一切生命活动赖以进行的基础。 营养缺乏，导致微生物生长所需的能量、碳源、氮源、 无机盐等成分不足，机体停止生长和繁殖，代谢停顿。
碳源 • 用于构成微生物细胞和代谢产物中碳素的来源，并为微
生物的生长繁殖和代谢活动提供能源。 • 主要功能
① 提供微生物生长繁殖所需的能源； ② 提供微生物合成菌体的碳成分； ③ 提供合成目的产物的碳成分。
氮源
• 氮源是指无构机成氮微源生物细胞物质和代谢有产机物氮的源氮素的来源。
• 1）主氨要基功氮能：是N：H4OH
1）合成产物：尿素
① 构成微生(N物H细4)胞2S结O构4 物质，如氨2）基酸天、然蛋原白料质：、核酸等；
（4）微生物在环境修复中的分子生态学 微生物修复（bioremediation）指通过微生物的作
用清除土壤和水体中的污染物，或是使污染物无害化的过 程。它包括自然和人为控制条件下的污染物降级或无害化 的过程。 微生物群落结构及其动态变化 微生物分子多态性 微生物遗传进化
2.3：微生物对外界环境的适应和调整
光
辐射
O2
pH
microbe
氧化/还原电位
氨氮
硫化氢
甲烷
环境造就生物，生物改造和修饰环境
微生物要适应和改造环境，通过改变和修饰遗传物质 达到改变生理表型，逐步形成响应环境的调节系统，在适 应过程中不断进化，并通过遗传将进化的结果传播下去。
（2）微生物与细胞间的信息交流 细胞信号传递一直是生物学研究的热点，分子生物学
KNO3
粉、牛肉膏
微生物蛋白：酵母粉/浸膏、废
菌丝粉
其它：酒糟等
无机盐和微量元素 • 微生物在生长繁殖和代谢产物的合成过程中，还需要某
些无机离子如硫、磷、镁、钙、钠、钾、 （大量元素） 铁、铜、锌、锰、钼和钴等。（微量元素） • 各种不同的产生菌以及同一种产生菌在不同的生长阶段 对这些物质的需求浓度是不相同的。 • 无机盐及微量元素对微生物生理活性的作用与其浓度相 关，一般它们在低浓度时对微生物生长和目的产物的合 成有促进作用，在高浓度时常表现出明显的抑制作用。
② ③ ④
合作调成为节含酶渗氮的透NN代组压HH谢成、44NP产 分CHOl物或值3；维、持氧酶化的还活原性植 棉 玉电；位物 籽 米等蛋 饼 浆；白 粉 、：、 玉黄菜 米豆籽麸饼饼质粉粉粉、、花麦生麸饼、粉、
2）⑤硝态当氮培：养基N中a碳N源O3不足时，可作为动补物充蛋碳白源：。蛋白胨、鱼粉、蚕蛹
的发展揭示了许多动物细胞信号交流和传导途径。 长期认为微生物只能感受环境变化，微生物间没有交
流，但群体感应的发现表明微生物细胞之间存在信息交流。
microbe
microbe
信息素
microbe
microbe
抗生素
微生物与细胞间的信息交流，探讨的是微生物在生物 细胞内环境的分子生态效应，可以进一步揭示细菌、病毒 对人和动植物感染的调控作用，以及微生物次级代谢产物 对其它生物的拮抗、抑制和杀灭的分子机制，探索寄生、 共生、腐生等原理，为生物防治和健康医学注入新的活力。