极端微生物的多样性及应用

极端温度微生物生存机理及应用研究进展

李淼

(中山大学生命科学学院 广东)

摘要：极端温度微生物是生物对极冷与极热环境适应的特殊种类，研究微生物对于极端温度环境的生存机理对探索生命的起源、微生物的育种及开发利用等具有重要意义。本文大致介绍了嗜热微生物、嗜冷菌和耐冷菌的生物类群，阐述了微生物在面临极端环境温度的适应机理多样性，总结其在环境应用的研究进展。最后旨在综合对比这两类极端微生物的生存机理和实际生产生活应用。

关键词：微生物；极端环境；生存机理；环境应用

极端微生物(extreme microorganism)是指一般生物无法生存的极端环境中（高温、寒冷、高盐、高压、高辐射等）能够正常生存的微生物群体的统称。一般把在高温环境中生长的微生物叫嗜热菌（thermophiles），包括一些细菌及古细菌。他们广泛分布在草堆、厩肥、温泉、火山地及海底火山附近等处。普通耐热菌的最高生长温度在45℃-55℃之间，低于30℃也能生长，而超嗜热菌最高生长温度可达80℃-110℃，最低生长温度也在55℃左右。同时，在地球这个大生态系统中也存在着广泛的低温环境。如占地球表面14%的两极地区及海洋深处（90%的海水其平均温度为5℃或更低）等[1]，在这些特殊环境中生活着一类微生物即低温微生物（halophilic microorganism）。

极端高温与极端低温环境都会对生物膜结构以及蛋白质结构造成巨大的影响。了解高温微生物与低温微生物的生存机理，有助于人们开展深一层次的蛋白与膜分子结构研究。本文在目前已有的研究基础上，就高温微生物与低温微生物的生存机理以及在环境应用的最新进展做一简要对比综述，为进一步研究提供参考。

1 高温微生物概述

通常把最适生长温度高于45℃的微生物称为嗜热菌。嗜热菌并非单一的菌属或菌群，其中有些嗜热细菌，其同届菌中皆为嗜热菌，如红色嗜热杆菌（Rhodothermus）、嗜热好氧杆菌（Thermoaerobium）、嗜热厌氧杆菌（Thermoanaerobaeterium）、球杆菌（Sphaembaeter）等，也有高温菌及中温菌并存的菌属，如芽孢杆菌、奇异球菌（Deincooccus）、假黄色单胞菌（Pseudoxanthomonas）等。嗜热菌按其生长的耐热程度不同可分为5类（表1）[2]。目前，对嗜热菌的耐热性主要从细胞壁的结构、类脂的敏感性、DNA结构的稳定性以及蛋白质的热稳定性等方面进行研究。

2017年04

月专业管理分子生物学方法在微生物多样性研究中的应用张晨曦(上海师范大学,上海200235)摘要：微生物多样性研究是生物多样性研究中的重要内容，由于微生物与动植物相比，存着这许多不同之处，因此其多样性研究也存在着许多不同之处，尤其是研究方法仍有待提升。近些年来，越来越多的研究通过分子生物学方法观察微生物并取得了一定的成效。因此，文章主要针对分子生物学方法在微生物多样性研究中的应用价值展开分析。关键词：分子生物学方法；微生物多样性；遗传多样性微生物主要包括细菌、放线菌、原生动物、真菌、部分藻类和病毒，是构成自然界的重要组成部分，其具有代谢多样性和遗传多样性，使得微生物在许多极端环境中都能够生存、繁衍。微生物是生物链中的重要成员，对于动植物的生长发育、生态循环以及污染物的自然降解具有重要作用[1]。微生物种类数量仅次于昆虫，但目前已知微生物种类占其总估计量的比重仍较低，目前生物界中已知的细菌、真菌以及病毒占其总种类的比重仅有6%、11%和5%，微生物多样性的研究滞后于其他生物群。1微生物多样性研究的重要性微生物在维持生态平衡中具有重要作用，但是我们对于维持生态平衡的微生物系统的结构以及有关参数知之甚少，究其原因是由于传统微生物培养方法是通过获得培养菌株才能了解其特征，但是在自然界中能够培养的微生物数量还不到微生物总量的百分之一。传统微生物研究主要是通过观察菌株的表性特征以及细胞的性质（包括细胞形态学、生理生化反应以及细胞组成成分等方面）[2]。由于实验室培养是观察这些微生物特征的重要前提，因此这使得许多无法培养的微生物都不能被具体描述。此外，这种研究方式对于微生物的进化关系没有有效的作用，因此微生物进化研究受到影响，从而无法对微生物进行准确的分类以及系统关系图的创建。DNA技术以及微生物分子学的出现为微生物研究提供了新的道路，有助于现代微生物多样性研究的良好开展。从理论层面上分析，微生物进化之间的关系主要是由于基因组的结构决定的，通过比较微生物基因序列之间的不同能够有助于分析微生物之间的进化关系，比较简单的方法就是比较不同微生物类似基因之间的碱基序列，碱基序列之间的差距越大，说明微生物之间的进化关系也就越小。该方法可以用于分析不同微生物之间的进化距离，从而用于构建进化关系树或微生物图谱[3]。在微生物多样性研究中发现，16SrRNA以及18SrRNA的变化速率较低慢，常用于微生物进化关系分析的检验中。近些年来，随着微生物DNA技术的不断发展，以核酸基因序列为依据的微生物进化研究获得了有效的进步。现代分子生物学技术的出现突破了传统研究技术的限制，从遗传角度上能够分析出微生物的种类以及遗传多样性。2分子生物学方法在微生物多样性研究中的理论基础2.1“三界”理论的提出生物学界在对古化石标本研究中发现，早在30亿年前地球上就有自养细菌的存在，20多亿年前地球上出现了蓝细菌，15亿年前真核生物首次出现在地球上，也就是说原核生物比真核生物出现的要更早，真核细胞是由原核细胞进化而来也是一种比较科学的结论，这也是生物学界早期生命进化的主流理论[4]。这一学说认为所有的生命都可以划分为这两种类型，且如今的真核生物就是由原核生物进化发展而来。分子生物学方法的应用对于改正现代微生物种类划分以及进化关系等方面具有较好的效果。进三十年来，大量的细胞生物学研究和分子生物学的研究证实，原核生物早在数亿年前就已经分化为真细菌和古细菌这两大类。过去在建立微生物进化树时，主要是根据微生物细胞色素C中氨基酸组成变化的特点，这主要是由于真核生物与大部分原核生物都有细胞色素C。但是在研究中发现，有些古细菌没有细胞色素C，而有些细菌虽然有细胞色素C，但是其氨基酸组成之间的差异过大，无法确定其是否有着进化关系[5]。通过rRNA的序列结构确定微生物之间的进化关系为微生物多样性的研究提供了更广阔的空间。“三界”理论是由学者沃瑟提出的，其认为原核生物应分为古细菌与真细菌两界，但两界彼此之间有着很大的差异，也就是说古细菌、真细菌与真核生物三者是相互平行的，三者都起源于共同的原始细胞。三界学说随着研究的进步而不断发展，大量古标本生物分子研究证实了古核生物遗传基因与真核生物有相似之处，古细菌与真核生物从进化学角度来看比原核生物更加密切，因此近些年来有越来越多的学者支持真核生物起源于古细菌的学说，认为真细菌是最先从古细菌与真核生物的生物干线中分离出来的。“三界”理论的提出为为生物多样性的研究提供了全新的视角，并提示微生物遗传多样性具有普遍性。2.216SrRNA基因序列在分子生物学中的应用佩斯等人首次通过rRNA基因鉴定样本中微生物的类别，利用5SrRNA基因序列分析微生物的演变与进化。该方法取得了一定的成效并且很快被用于研究微生物多样性。但是由于5SrRNA的基因序列相对较小，仅有120个核苷酸，携带信息不多，在微生物多样性研究领域起到的作用有限，而16SrRNA基1242017年04

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。 1欢迎下载 微生物物种多样性研究进展

微生物是分布最为广泛的生命形式，几乎分布到地球上的所有生境，可利用各种有机化合物、无机盐等作为能源，在有氧或无氧条件下，在寒冷的极地、高达100℃的热泉或高盐碱度等极端环境中生活。微生物具有丰富的物种和遗传多样性，并以高度的变异性适应不同的生境。作为生态系统中的重要组分，微生物在自然界的物质与能量循环、生态系统的演替以及生物多样性的维持中发挥重要的生态功能。微生物与人类的生活休戚相关，在直 接或间接地为人类提供了极其丰富的物质资源的同时，也为人类带来了巨大危害。 Woese和Fox(1977)以核糖体RNA(rRNA)的小 亚基(原核生物的16S、真核生物的18S基因)序列为 依据，提出了独立于真细菌(Eubacteria)和真核生物 (Urkaryotes) 之外的 第 三 种

生 命 形 式 —— 古 菌 (Archaea)，认为它和真核生物以及真细菌是从一个

具有原始遗传机制的共同祖先分别进化而来。随后 Woese等(1990)提出了三域(Domain)分类系统，将地球上的生物分别归为细菌域(Domain Bacteria)、古菌域 (Domain Archaea)和真核生物域(Domain Eukarya)，其中古菌在进化谱系上更接近真核生物，但在细胞构造上与细菌较为接近，同属原核生物而真菌与动物、植物等生物属于真核生物域。

我国地域辽阔，跨越热带至寒温带，气候条件多样，地理环境与生态系统类型复杂，是世界上生物多样性最丰富的国家之一。而多样的生境蕴藏着丰富的微生物多样性。特别是近年来微生物多样性的研究由传统的培养方法，逐渐转向以免培养的分子生物学技术为主，如DNA的指纹图谱、 分子杂交、克隆文库测序、高通量测序(pyroseqencing)、稳定性同位素探测(stable isotope probing，SIP)、基因芯片(gene chip)以及转录组学等技术。我国学者利用先进的分子生物学技术，极大地提高了我国微生物 多样性的研究水平。

生物多样性评估的方法与应用

生物多样性是指生物体的种类、数量、质量、分布和群落组成的多种多样性。随着人口的不断增长，对资源的过度利用和环境的污染，生物多样性正面临着越来越大的威胁。为了保护和维护生物多样性，评估其现状和趋势变得尤为重要。本文将介绍生物多样性评估的方法与应用。

一、生物多样性评估的方法

1.目视调查法

目视调查法是利用人的观察力，通过在区域内实地观察野生生物的种类、数量、分布及其生境状况，来进行生物多样性评估的方法。此方法操作简单，低成本，适用于小规模调查和教学活动中。

2.带网捕捉法

带网捕捉法是利用网捕捉小型生物，了解其种类和数量的方法。此方法适用范围比较广，可以调查森林、草原、河流湖泊等不同生境类型的生物多样性现状。

3.室内实验法

室内实验法是利用实验室种植土壤来分离出其中的微生物，并通过DNA分离和分子生物学技术鉴定各种微生物，来评估地下生物多样性的方法。此方法可对微生物进行非常精确的检测，但也较为复杂和耗费时间，只适用于小面积调查。

二、生物多样性评估的应用

1.基础性调查

生物多样性评估的最基本目的就是对生物多样性的现状进行调查，了解各种生物种类、数量、分布及其生境状况。基础性调查是生物多样性评估的基本内容，为进一步开展生物多样性的保护和管理提供了基础数据依据。

2.环境影响评估

环境影响评估是指对某种环境因素可能带来的影响进行评估和预测。如果某种环境因素可能对当地的生物多样性造成威胁，对其进行生物多样性评估将是必要的。例如，某个处理厂的建设可能会对当地的土壤、水源和空气造成污染，从而对当地的生物多样性造成影响，需要对其进行评估。

3.保护和管理规划

生物多样性评估可以为生物多样性的保护和管理规划提供数据支撑。例如，根据生物多样性评估的结果，可以针对特定的生物物种、生境类型和地区划定生物多样性保护区，并在其中制定相应的保护规划。

4.科学研究

在科研领域中，生物多样性评估可为研究生物多样性的物种多样性、空间分布规律、物种间相互作用等提供初步数据支撑。此外，生物多样性评估也可以为生物多样性的保护和管理提供研究依据和理论支持。