微生物论文课题的研究方向

提供小小的 对你有所启示2月5日，《美国国家科学院院刊》(《PNAS》)网络版发表了中英两国5个机构联合完成的有关人类元基因组与健康的研究成果，在国际上引起较大反响，美国合众国际社及国内多家媒体纷纷进行了报道。人类元基因组其实是人类微生物组的另一种说法。近年来,对该领域研究的逐渐升温——包括人类元基因组计划的酝酿启动、有关元基因组重要研究论文的陆续发表，促使更多科研人员给予关注。日前，记者就相关问题采访了参加“人类微生物组国际研究联盟(IHMC)”筹备工作的上海交通大学系统生物医学研究院赵立平教授。 ▲作用重要的“小不点儿” “人体内共生的微生物多达1000多种，它们的基因总和叫‘微生物组’，也被称为‘人类元基因组’。”赵立平教授如数家珍地告诉记者：“人们一直认为，一个生物，不管是单细胞细菌还是像人类这样的高等生物，都是由基因信息控制其生老病死。”但是，越来越多的研究表明，人体的生理代谢和生长发育除受自身基因控制外，人体里共生的大量微生物的遗传信息也发挥着重要作用，它们所编码的基因数量是人体自身基因数量的50～100倍，相当于人体的“第二个基因组”。 正是这些共生在人体内、肉眼不可见的“小不点儿”们，对人体的免疫、营养和代谢等起着至关重要的作用。一方面，人体的健康状况发生变化，体内共生微生物的组成就会发生变化；反之，体内微生物组成的变化，也会导致人体健康状况的改变。因此，人体共生微生物的组成可以真实而准确地反映人体的健康状况。 鉴于了解到人类元基因组对人体健康的重要性，科学界积极开展了相关研究。如欧盟、美国和日本的科研人员相继启动了人类元基因组研究计划。赵立平教授特别提到，去年12月9～10日，英、美、法、中等国科学家在美酝酿成立“人类微生物组国际研究联盟(IHMC)”，计划今年4月联合启动“人类元基因组计划”，开始对人类元基因组的全面研究。这项被称为“第二人类基因组计划”的项目将对人体内所有共生的微生物群落进行测序和功能分析，其序列测定工作量至少相当于10个人类基因组计划，并有可能发现超过100万个新的基因，最终在新药研发、药物毒性控制和个体化用药等方面实现突破性进展。 ▲关注慢性全身性代谢性疾病 去年12月美国《科学》杂志预测：人类共生微生物的研究将可能是国际科学研究在2008年取得突破的7个重要领域之一。赵立平教授谈到，当前对人类元基因组研究发现，肠道菌群结构的改变与失衡除会导致肠道疾病外，还与很多慢性全身性的代谢性疾病，如糖尿病、肥胖，甚至是癌症的发生有着密切关系。 过去一些找不到确切病原菌的肠道疾病，即非感染性肠道疾病（如肠易激综合征等），现在研究认为，肠道内微生物群落结构失调可能与其发生有重大关系。因而在治疗上，就可以选择一些改善肠道菌群失调的微生态制剂。 糖尿病原来仅仅被认为是糖代谢异常，现在研究却发现，菌群失调可能是造成糖尿病发生的一个影响因素。赵立平教授领导的研究小组发现，糖尿病模型动物肠道中的一些特定菌的数量有所变化——两种乳酸菌数量明显下降。国外也有研究报道，补充乳酸菌制剂能缓解模型动物的糖尿病症状。这“一减一加”的事实说明，肠道内某些种类的乳酸菌可能参与了糖尿病的发生发展过程。菌群的变化不仅是糖尿病的后果，也可能是糖尿病的诱因。 尽管肥胖受一定的遗传因素影响，但环境因素也对其产生重要作用。赵立平教授强调，菌群就是其中之一，即饮食结构改变产生的菌群结构异常可导致肥胖。美国学者Gordon及其同事近年来在肥胖与菌群关系的一系列研究上取得了突破性进展。他们发现，遗传性肥胖小鼠和瘦型小鼠肠道菌群的组成有明显差异，且肥胖表型可以随菌群在不同个体间发生转移；他们对人体的研究也获得了相似的结果。更令人兴奋的发现是，肠道菌群可以直接调节宿主脂肪存储组织的基因表达活性，使宿主增加脂肪的积累。这些研究有力地支持了肠道菌群在人类这样的“超级生物体”生理代谢中的地位。这从另一个角度证明，肥胖是人的基因和微生物基因共同作用的结果，甚至在某种程度上，后者的作用可能更大。 ▲“中国舞”应能独领风骚 在世界各国对人类元基因组研究相继加大研究力度的同时，我国学者也不甘示弱。目前，围绕肠道菌群与感染性疾病的关系，由浙江大学第一附属医院牵头的国家“973”计划项目已经启动；在科技部和上海市的支持下，由上海交通大学系统生物医学研究院、中科院营养科学研究所和国家人类基因组南方中心等单位承担的中法肠道元基因组国际合作项目也已顺利启动；在上海市疾病控制中心(CDC)、闸北区CDC和卢湾区CDC的大力配合下，已经完成了1000多人的上海常住居民“营养、菌群与肥胖的病例对照研究”的现场体检和血液、尿液和粪便样品的采集工作，这是目前国际上规模最大的人类元基因组人群研究项目，备受国际同行关注。 但从整体来讲，我国的人类元基因组研究还处于起步阶段。如何充分利用我国的特有优势参与国际竞争，加快人类元基因组研究步伐，是需要我们认真思考的问题。在采访中，赵立平教授多次强调，我国目前具有多方面的优势，如果组织得当，在国际人类元基因组研究的大舞台上，应该能跳出一支支漂亮的“中国舞”。微生物与人类的关系 ———姓名.所在单位. 摘要： 小到肉眼看不见的微生物对人类却起着难以想象的巨大作用。有时危害人类，给我们带来灾难。但在某些方面，它又是我们人类的好朋友，帮助我们解决问题和灾难。 关键词：微生物，应用，危害，人类. The relation between microorganism and mankind --Zhang Jingjing (20044274) living creature engineering of the life science college of the University of Heilongjiang 3 class Abstract: I am small to arrive the naked eye unseen microorganism to the mankind but have the huge function of hard imagination.Sometimes endanger mankind, bring us a disaster.But in some aspects, it is our mankind's good friend again, helping us to solve problem with disaster. Keywords: Microorganism, applied, endanger, mankind. 什么是微生物？微生物是泛指肉眼看不到或看不清楚的微小生物。它们体积微小，结构简单。它与人类关系密切，它既能造福于人类，也能给人类带来毁灭性的灾难。 微生物学在解决当代重大社会问题中起着重要作用。例如微生物采油技术中，它发挥令人难以想象的巨大作用。它可降低原油的黏度,增加原油的流动性,从而大大提高了原油的采收率。此种技术成本低,设备简单,不伤害地层,不污染环境,而且效益显著。1995～2000 年,斯诺克尔石油技术公司实施该技术且获得很好的效益[1]。而日本则把光合菌、乳酸菌、酵母菌、发酵丝状菌、放线菌等功能各异的80 多种微生物组成的一种活菌制剂。这些微生物组合在一个统一体中，互相促进，共同构成一个复杂而稳定的具有多元功能的微生态系统，可抑制有害微生物，尤其是病原菌和腐败细菌的活动，促进植物生长。该技术在自然农法中广泛应用。随着国民经济的发展，微生物的应用也越来越广泛。在生物制药、能源、环保、食品、工业等方面，微生物都扮演着重要的角色。 然而，微生物在给人类提供诸多好处的同时，也带来了许多不可忽视的负面影响。我们用的化妆品含有多种营养成分,为微生物的生长提供了适宜的环境,在生产、储藏和使用过程中极易受到微生物的污染。化妆品中常见细菌主要以芽胞杆菌属、假单胞菌属、葡萄球菌属为主,这几个属的细菌在自然界分布广泛,对环境抵抗力较强,污染机会较多[2]。真菌主要有木霉属、曲霉属、根霉属、脉孢菌属、短梗霉属、假丝酵母属和红酵母属等,这些菌也是自然环境中常见的霉菌和酵母[3]。受到微生物污染的化妆品不但产品腐败变质,更重要的是致病微生物污染会对人体健康产生危害。别外饮水机污染也已成为不可忽视的卫生问题,有的饮水水质量已经远远达不到合格饮用水的卫生质量,所谓的纯净水、矿泉水等已不能直接饮用,主要是被大肠杆菌等微生物污染。这种状况很可能加重夏秋季肠道病的流行。研究人员还指出，室内空气也存在着微生物污染，它可引起人体出现眼刺激感、哮喘、过敏性皮炎、过敏性肺炎和传染性疾病，重者甚至因感染而死亡。室内建筑材料和家用电器是室内空气的主要污染源，它不仅能释放出对人体有害的化学物质，同时也为微生物的孳生提供了有利的条件。 由此可见，微生物与人类的关系非常密切，它不仅造福与人类，也会伤害人类。因此我们应该正确地认识微生物，并利用它保护环境、造福人类，这是我们的期望也是我们每个人义不容辞的责任。 参考文献： [ 1 ] 谢明杰,谢正,邹翠霞,曹文伟.微生物降解原油提高原油采收率的研究[J].抚顺石油学院学报,1999,(2). [ 2 ] 东秀珠,蔡妙英. 常见细菌系统鉴定手册[ M] . 北京:科学出版 社,2001. [ 3 ] 魏景超. 真菌鉴定手册[ M] . 北京:科学出版社,1979. (收稿日期:2003 -08 -12) [ 4 ] 金京德. 有效微生物研究会·EM活用技术事例集·EM研究所·2004年·人类与微生物可持续发展的关系1，土壤中的分解者——真菌、. 微生物和土壤动物分解死去的动物和 植物，清除有机垃圾，给人类创造一个洁净的环境； 2，微生物给人类在衣、食、住、行、医药、美学和科学进步等等方面提供的用场太丰富了； 3，微生物可以形成完整的食物网，同时它们又是他动物的食物，通过捕食与被捕食的关系把动植物，微生物联系起来，形成一个复杂的关系网。 4，现代人类是由人类、各种各样的微生物、其它生物种类在其所分享的不断变化的大自然的胁迫中进化而来。这种共同进化的过程受多方面的影响，诸如：环境的变迁、人类的迁徙、人类行为的变化、其它物种数量的增加和减少以及微生物命运的不断变更。 5，保持一直处于人体与病原微生物间的最大程度上的微妙平衡可以使生态安全得到加强。现代人类和多种多样的微生物随着时间的前移而共同进化，这种关系大可用“和平共处”来描述。这种“和平”来自于人类对于病原微生物的经验发展而得来的对免疫性的认识。

微生物生态学是研究微生物与生物、非生物环境之间相互作用的现象、过程和机理。主要研究内容有：1 研究微生物生态学所用的传统和现代分子生物学方法；2 在正常自然环境中的微生物种类、分布及其随着不同的环境条件变化而发生的变化规律；3 在极端自然环境中的微生物种类和它们所起的作用，在极端环境中微生物的生命机理；4 在自然界中微生物之间的相互关系，微生物与动植物之间的相互关系，这些相互关系对自然界的影响和环境因素对这些相互关系的影响

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水稻微生物组动态变化揭示核心垂直传播的种子内生微生物期刊：MicrobiomeIF：16.837发表时间：2022.12.9第一作者：张晓霞，马毅楠通讯作者：魏海雷通讯作者单位：中国农科院农业资源与农业区划研究所DOI号：10.1186/s40168-022-01422-9实验设计实验设计图：本研究基于两代水稻、6个品种(RBQ、L31、M63、P64、Dular和Kasalath)、4个种植区(三亚、廊坊、南昌和西双版纳)、5个取样部位(散土、根际土、根内、茎内、种子内)的481份样品进行了高通量微生物组深度解析。 结果1.水稻微生物群落多样性及其驱动因素 作者利用Chao1和Shannon指数描述样品的α-多样性后发现，同一水稻品种的根际、根、茎和种子内生微生物在不同地区的α-多样性没有显著差异。此外，6个水稻品种的根际、根内、茎内和种子内样品的α-多样性指数在4个种植地点没有显著差异，说明水稻基因型对微生物多样性没有影响。此外，根际和散土微生物群落的α-多样性在4个种植地点具有明显的差异，然而，内生微生物(茎、根和种子)多样性在4个地点具有不同的分布，表明外界环境对水稻内部的微生物多样性影响不大。重要的是，作者还发现水稻微生物的α-多样性不受品种和种植地区的影响，始终呈现从根际、根、茎到种子内降低的规律。 图1 水稻相关微生物群落的α-多样性。d和g, 6个水稻品种不同取样部位的4个种植地区合集的Chao1和Shannon指数。e和h, 4个种植地区6个水稻品种不同微生境微生物区系的Chao1和Shannon指数。f和I, 不同取样部位的所有水稻品种和种植地区合集的Chao1和Shannon指数。通过基于Bray-Curtis相异性的PCoA分析，结果显示取样部位是微生物组变异的最主要影响因素(R2 = 0.314, p < 0.001)，而受种植地区(R2= 0.0967, p < 0.001)和水稻品种(R2 = 0.0106, p = 0.478)的影响较小。可见，取样部位是水稻微生物组组成的主要驱动力。这些数据表明，水稻微生物群落的多样性从根部远处到近处、从外部到内部、从地下到地上呈稳步下降趋势。图2 基于Bray-Curtis相异性的水稻取样部位、种植地区和品种的PCoA分析。 2.水稻微生物的群落组成及动态变化 为了调查水稻微生物的群落组成及动态变化，作者分析了在不同条件下的水稻微生物群落富集和组成情况。对于散土样品，三亚种植区的β-变形菌纲(Betaproteobacteria)的占比最高(57.9%)，而其他细菌菌纲占比均小于10%。相比之下，放线菌纲(Actinobacteria)广泛分布在廊坊和西双版纳种植区，而疣微菌门(Verrucomicrobia subdivision 3)在南昌种植区显著富集。根际土样品细菌群落组成与散土样品十分相似，但少数类群在这两种取样部位间变化明显，例如β-变形菌纲(Betaproteobacteria)。γ-变形菌纲(Gammaproteobacteria)是唯一一个在散土、根际、根、茎和种子中逐渐富集的菌纲，而放线菌纲、α-变形菌纲和β-变形菌纲逐渐减少，说明水稻内部生态位更加有利于γ-变形菌纲的生存。因此，来自于γ-变形菌纲的泛菌属(Pantoea)和黄单胞菌属(Xanthomonas)比来自α-变形菌纲的鞘氨醇单胞菌属(Sphingomonas)和β-变形菌纲的食酸菌属(Acidovorax)在研究水稻内生方面更加具有优势。此外，在不同取样部位中丰度最高的前五个菌纲和菌属呈现动态变化，在子代种子样品中，γ-变形菌纲和泛菌属最为优势。图3 水稻取样部位微生物群落组成。a,纲水平散土、根际土、根内、茎内、子代种子和亲代种子内生微生物组成柱状图。b, 纲水平各取样部位前五汇总图。c, 属水平散土、根际土、根内、茎内、子代种子和亲代种子内生微生物组成柱状图。d, 属水平各取样部位前五汇总图。3.细菌共现性网络和关键类群 通过构建不同取样部位的细菌共现性网络，作者进一步解析了细菌类群和取样部位间复杂相互作用对水稻微生物群落组成的影响。总体而言，网络的复杂性从根际、根内、茎内到种子内逐步降低。根据模块化指数可以观察到地下部分(散土、根际土和根内)比地上部分(茎内和种子内)具有更明显的模块化趋势。子代种子内样品的网络节点数、边数和平均聚类系数均为最低，网络组成最为简单。由此可见，取样部位对微生物网络的构建具有显著影响。作者根据网络节点解析微生物群落中的关键微生物。网络节点中变形菌门数量最多，且在茎内和种子内生样品中所有的节点微生物都来自变形菌门，说明该菌门在水稻内生微生物组中的重要地位。图4 基于SparCC构建的微生物网络及网络参数。a, 水稻微生物组不同取样部位间的共现性网络。每个节点代表一个细菌ASV，青色标记代表网络节点，边的颜色代表作用类型，红色代表正相关，蓝色代表负相关。b, 各取样部位间微生物网络的主要拓扑结构特征。4.水稻核心内生菌群 为了挖掘能够在水稻中垂直传播的核心内生微生物类群，作者首先以大于70%的阈值在不同地点、水稻品种和微生境中提取核心ASV，最终在根、茎和子代种子内生样品中分别发现了438个、94个和27个ASV，其中三者共有的ASV为14个，分布在两个菌门，6个菌目。因此，作者推测水稻核心内生菌群的组成并不完全随机，而是受到了细菌特征、宿主环境和代谢特点的影响。图5 水稻核心内生微生物和垂直传播类群。a, 韦恩图显示高频率出现在水稻内生取样部位(根内、茎内和种子内)的ASV。b, 韦恩图展示10个潜在的从亲本种子垂直传播到子代种子的ASV。c, 在不同取样部位的潜在垂直传播ASV的绝对丰度。5.种子内生菌垂直传播的证据 为了鉴定潜在的垂直传播细菌类群，作者分析了核心内生菌和亲代种子内生样品之间的重叠ASV，发现在14个共有内生ASV中，10个均来自亲代种子内生样品。同时ASV_2 (Pantoea)、ASV_26 (Pseudomonas)、ASV_48(Xanthomonas)和ASV_238(o_Enterobacterales)在根内、茎内、亲代种子和子代种子样品中的绝对丰度和出现频率均显著高于散土和根际土样品，表明这4种ASV最有可能是垂直传播的类群。 为进一步获得垂直传播的细菌类群，作者对种子内生细菌进行了高通量地分离、培养、纯化和鉴定，从4个种植地区和2个水稻品种(P64和Dular)的亲子代种子中分离获得了957株细菌。其中泛菌和黄单胞菌是数量最多的两个细菌菌属，分别占分离菌株的39.39%和27.69%。21株泛菌和27株黄单胞菌的部分16S rRNA基因序列分别与ASV_2和ASV_48序列完全相同。其中，9株泛菌和17株黄单胞菌来源于子代种子样品，其余均来自亲代种子样品。作者对这些菌株进行了基因组草图测序并进行了系统发育分析，发现分离获得的泛菌菌株分别属于P. ananatis、P. dispersa和 P. stewartia三个种，黄单胞菌均为X. sacchari种。通过比对亲代和子代的ANI值和核心基因组的相似性，发现来源于子代种子的8株泛菌与来源于亲代种子的9株泛菌具有极高的相似性；来自子代种子样品的4株黄单胞菌与来自亲代的4株菌株黄单胞菌具有极高相似性。以上结果表明种子内生菌在株系水平上存在垂直传播。图6 可培养的垂直传播水稻种子内生菌鉴定。a, 四个水稻种植区、两个水稻品种的亲代种子和子代种子中分离获得的可培养细菌菌株数量。b,圈图展示a中菌株属水平相关关系。c, 亲代种子和子代种子样品中分离的泛菌菌株ANI热图。d, 亲代种子和子代种子样品中分离的泛菌菌株串联核心基因组一致性热图。e, 亲代种子和子代种子样品中分离的黄单胞菌菌株ANI热图。f, 亲代种子和子代种子样品中分离的黄单胞菌菌株串联核心基因组一致性热图。6.可垂直传播的种子内生菌群基因组挖掘和功能特征 为了进一步阐明水稻中可垂直传播类群的潜在功能，作者对所有已测序的内生泛菌和黄单胞菌菌株进行基因组挖掘分析。作者计算了泛菌和黄单胞菌的泛基因和核心基因数量，并利用COG和KEGG数据库对核心基因进行了功能注释。在COG注释中，核心基因组显著富集在E(氨基酸转运和代谢)和G(碳水化合物转运和代谢)两个功能类别中，且KEGG注释中同样存在高度相关的 “碳水化合物代谢”和“氨基酸代谢” 通路。随后，作者重点关注了级代谢产物、蛋白质分泌系统和酶三大功能类别，分析中发现所有泛菌菌株都含有促进植物生长相关的1-氨基环丙烷-1-羧酸(ACC)脱氨酶和吲哚乙酰胺水解酶(iaaH)。此外，所有泛菌基因组中都具有编码多种消化酶的基因，如右旋糖酶、β-半乳糖苷酶、果胶酶、纤维素酶和淀粉酶基因。并且均具有T1SS、T5aSS和T6SS，而只有少数菌株具有T2SS、T3SS、T4SS、T5bSS和T5cSS。黄单胞菌基因组中也具有iaaH基因和丰富的消化酶编码基因如β-半乳糖苷酶、淀粉酶和果胶酶基因。然而，分离出的黄单胞菌菌株基因组中仅含有T1SS、T4SS和T5SS，而不含致病性T3SS和T6SS。随后作者对部分泛菌和黄单胞菌进行了一些促生功能特征的检测并发现所有菌株都具有纤维素酶活性，并能够产生吲哚-3-乙酸(IAA)，这与基因组挖掘的结果相对应。图7 水稻种子垂直传播内生菌的系统发育分析。a, 基于1258个单拷贝同源基因的串联多序列比对建立的21株泛菌菌株与20株模式菌株的最大似然发系统发育关系。b, 基于892个单拷贝同源基因的串联多序列比对建立的27株泛菌菌株与22株模式菌株的最大似然发系统发育关系。SM，次生代谢产物；PSS，蛋白质分泌系统；ENZ，消化酶。总结本研究建立了水稻内生微生物资源库，并通过多尺度微生物组学分析，阐明了种子内生微生物组中核心类群的垂直传播与功能特征，对未来开发种子内生菌并提高植物适应性奠定了理论基础。对进一步理解微生物-植物共进化理论提供了新的证据。水稻内生微生物资源在营养转化与吸收、抗病抗逆、耐胁迫等方面表现出的巨大潜力，也为微生物肥料、微生物农药、微生物种衣剂、微生物防腐剂的研发开辟了新的思路。中国农科院农业资源与农业区划研究所张晓霞研究员和马毅楠博士后为该论文的共同第一作者，魏海雷研究员为通讯作者。该研究得到国家自然科学基金、中国农业科学院科技创新工程等项目资助。