土壤微生物檢測多樣性研究中存在的問題

土壤微生物檢測針對土壤微生物，以往的研究大多聚焦于土壤微生物組成和多樣性的空間分異，而對土壤微生物組成和多樣性在時間尺度上的動態(tài)變化研究較少。人們觀測到很多微生物介導(dǎo)的生物地球化學(xué)過程均顯示出季節(jié)性的動態(tài)變化，如溫室氣體排放通量。然而，這些過程與微生物群落組成和多樣性動態(tài)變化的關(guān)系尚不清楚。在為數(shù)不多的一些有關(guān)土壤微生物群落動態(tài)變化研究中，人們利用時間序列分析和高通量測序技術(shù)發(fā)現(xiàn)，一些生態(tài)系統(tǒng)中土壤微生物群落組成和多樣性也表現(xiàn)出明顯的動態(tài)變化，動態(tài)變化的模式因不同生態(tài)系統(tǒng)而有差異。揭示這種動態(tài)變化的規(guī)律及其驅(qū)動機制，可以使我們深入認(rèn)識微生物群落的演替規(guī)律及其對生態(tài)系統(tǒng)功能的影響，以揭示群落穩(wěn)定性與生物多樣性的關(guān)系，預(yù)測微生物群落對氣候變化、土地利用等擾動的響應(yīng)。為了闡明這些科學(xué)問題，需要在不同生態(tài)系統(tǒng)中對土壤微生物類群和基因組進(jìn)行長期、定點、動態(tài)的監(jiān)測;同時結(jié)合其他生態(tài)過程監(jiān)測，如生物地球化學(xué)過程、植被演替等，以便獲得系統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)。
zui近十余年來，上開展了一些微生物組計劃，這些計劃主要研究人體腸道微生物，如美國人體微生物組計劃，加拿大微生物組研究項目，以及歐盟和中國的MetaHIT項目等，尚缺乏專門針對土壤微生物組的研究計劃。當(dāng)前進(jìn)行的微生物組計劃沒有能夠很好地合作，研究方法也不統(tǒng)一，雖然各研究計劃都產(chǎn)生了大量數(shù)據(jù)，但很難對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行整合。如利用16SrRNA基因鑒定微生物群落組成時，由于擴(kuò)增16SrRNA基因的引物不同，zui終獲得的數(shù)據(jù)差異很大。另外，由于生物信息處理序列數(shù)據(jù)時選擇的方法不同，估算微生物物種數(shù)量時可以差2–3個數(shù)量級。因此，對微生物多樣性監(jiān)測工作而言，標(biāo)準(zhǔn)化的研究流程和研究方法對于數(shù)據(jù)的可比性非常重要。然而，每種研究方法均有其局限性，過分追求標(biāo)準(zhǔn)化也不利于創(chuàng)新。如用常用的16SrRNA引物515F/806R調(diào)查土壤微生物組成時，可能會漏掉一些*的菌群。在第三代單分子測序技術(shù)的應(yīng)用中，在對測序數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時，進(jìn)行OTUs（可操作分類單元）分類是關(guān)鍵的一步，目前雖然有很多計算方法，但沒有一種方法適用于所有的情況，所以要根據(jù)研究問題、數(shù)據(jù)情況和計算能力來選擇。
對于土壤微生物檢測多樣性監(jiān)測的系統(tǒng)研究工作很少，可以借鑒的經(jīng)驗和標(biāo)準(zhǔn)方法不多。美國科學(xué)家發(fā)起的地球微生物組計劃，目的是為了在尺度上收集各種生態(tài)系統(tǒng)中微生物群落組成和分布的數(shù)據(jù)，分析微生物群落的分布、多樣性及形成機制。項目組織者也建議了一些標(biāo)準(zhǔn)化的方法，涉及實驗室技術(shù)和數(shù)據(jù)處理流程等，如土壤基因組DNA提取建議用MoBio公司生產(chǎn)的PowerSoilDNAisolationkit。該試劑盒采用的方法能有效地去除土壤中的PCR抑制物，可重復(fù)性強，但價格較高。PCR擴(kuò)增16SrRNA基因建議用515F/806R,利用Illumina公司的Miseq或Hiseq平臺測序;18SrRNA基因的擴(kuò)增推薦用Euk_1391f和EukBr，擴(kuò)增子序列的處理推薦用QIIME平臺。該項目還對如何提供與樣品對應(yīng)的宏數(shù)據(jù)也進(jìn)行了一定的規(guī)范。但是，該項目沒有對野外取樣過程和土壤微生物動態(tài)監(jiān)測的方法提出建議。這種人為設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)方法和流程還存在一些問題。筆者認(rèn)為，在土壤微生物多樣性監(jiān)測方法的選擇上，要根據(jù)不同的研究目的制定出多套研究方案，同時及時采用新的技術(shù)手段，鼓勵探索新的方法。
土壤微生物檢測多樣性監(jiān)測將產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，加上已經(jīng)發(fā)表的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的管理、查詢和挖掘亟需建立大數(shù)據(jù)平臺，然而至今尚沒有系統(tǒng)的土壤微生物多樣性的數(shù)據(jù)集和專業(yè)數(shù)據(jù)庫。如何實現(xiàn)微生物多樣性監(jiān)測數(shù)據(jù)的共享，涉及到很多具體問題需要解決，如數(shù)據(jù)整合和共享方式、數(shù)據(jù)庫運行支撐體系、知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)問題等等。
另一方面，為了研究一個物種的生理、生化特征及工業(yè)應(yīng)用，分離純化功能微生物是非常重要的。至今，環(huán)境中的大多數(shù)微生物物種還不能在實驗室中被分離培養(yǎng)出來，這是當(dāng)前土壤微生物多樣性研究中存在的一個大問題，因此，傳統(tǒng)分離培養(yǎng)方法的改進(jìn)也是土壤微生物多樣性研究的重要課題。利用監(jiān)測獲得的數(shù)據(jù)可以得到物種的分類信息，把要分離的物種與已分離菌種的生長條件進(jìn)行比較，通過查詢已知培養(yǎng)基數(shù)據(jù)庫（如KOMODO），可以為分離新菌種推薦培養(yǎng)基和培養(yǎng)條件。而一株重要功能微生物的獲得，可以對人類社會產(chǎn)生巨大的影響。
綜上所述，建議在國家層面上頂層設(shè)計相關(guān)重大項目，圍繞土壤微生物多樣性監(jiān)測、微生物資源挖掘、分離培養(yǎng)新技術(shù)和微生物資源大數(shù)據(jù)共享平臺建設(shè)等方面重點開展研究。