稳定性同位素核酸探针技术DNA_SIP原理与应用

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1、Mini-Review小型综述微生物学报ActaMicrobiologicaSinica51(12):1585－1594;4December2011ISSN0001－6209;CN11－1995/Qhttp://journals．im．ac．cn/actamicrocn稳定性同位素核酸探针技术DNA-SIP原理与应用贾仲君中国科学院南京土壤研究所，土壤与农业可持续发展国家重点实验室，南京210008摘要:稳定性同位素核酸探针技术DNA-SIP(Stableisotopeprobing)，是将复杂环境中微生物物种组成及

2、其生理功能耦合分析的有力工具。微生物的体积在μm尺度，因此，自然环境中微生物群落在μm尺度下生理过程的发生、发展，其新陈代谢物质在环境中累积与消减的动力学变化规律，形成了微生物生理生态过程，决定了不同尺度下生态系统物质和能量的良性循环。利用稳定性同位素示踪复杂环境中微生物基因组DNA，实现了单一微生物生理过程研究向微生物群落生理生态研究的转变，能在更高更复杂的整体水平上定向发掘重要微生物资源，推动微生物生理生态学和生物技术开发应用。本文重点探讨了DNA-SIP的技术原理、主要技术瓶颈及对策，初步展望了DNA-SIP为

3、基础的环境微生物基因组学发展趋势。关键词:微生物生理生态学，稳定性同位素核酸探针技术，DNA-SIP，环境基因组学中图分类号:X172文献标识码:A文章编号:0001-6209(2011)12-1585-10［2］在纯培养体系中，组学技术可在基因组、转录组是难以想象的。稳定性同位素核酸探针技术则和蛋白组水平清楚阐释单一微生物菌株的重要生理能有效克服这一难点，在群落水平揭示复杂环境中过程。然而，特定微生物的生理代谢功能是与其它重要微生物生理生态过程的分子机制。生物及自然环境长期相互作用的结果。因此，在群稳定性同位素核酸

4、探针技术DNA-SIP(DNA-落水平研究微生物在复杂环境中重要生理过程的分basedstableisotopeprobing)，是采用稳定性同位素子调控机制，能更为准确地认知微生物多样性形成示踪复杂环境中微生物基因组DNA的分子生态学的机制、驱动力及可能的演化方向。与纯培养体系技术。2000年英国J．ColinMurrell教授实验室采1313相比，自然环境中微生物具有极其丰富的多样性，在用C-甲醇培养森林土壤，成功获得C-DNA，发现整体水平上清楚认知复杂环境中微生物群落生理代甲基营养微生物以及酸性细菌具有同化甲

5、醇的能［3］谢过程的分子机制具有较大难度。例如，就微生物力，开拓了稳定性同位素示踪环境微生物基因组数量而言，现有技术条件下，每克土壤最多含有100DNA的研究领域。过去10年来，DNA-SIP技术在亿个微生物细胞，而且绝大多数微生物目前难以培微生物生态学和生物技术领域得到广泛关注和应［1］养。从这些难以计数的微生物中，直接甄别复杂用，是耦合微生物遗传多样性与代谢多样性最有力环境中微生物的物种组成及其生理功能，认知难培的工具之一。然而，DNA-SIP技术仍处于一种定性养微生物的作用，单就技术角度而言，在20年前也描述阶

6、段，有效分离稳定性同位素标记DNA、定量基金项目:国家自然科学基金委重大项目(41090281);中国科学院知识创新工程重要方向项目(KZCX2-YW-BR-06，KSCX2-EW-G-16);科技部国际科技合作与交流项目(2010DFA22770)作者简介:贾仲君(1974－)，男，山西霍州人，博士，研究员，主要从事土壤微生物研究。Tel:+86-25-86881311;Fax:+86-25-86881000;E-mail:jia@issas．ac．cn收稿日期:2011-05-05;修回日期:2011-07-04

7、1586ZhongjunJia/ActaMicrobiologicaSinica(2011)51(12)［4］判定其标记程度仍是主要技术难点。本文重点相邻梯度区带的浮力密度差为0.004－探讨了稳定性同位素核酸探针技术DNA-SIP的原0.006g/mL。理论上，浮力密度差大于0.012g/mL理、主要技术瓶颈、对策及其与新一代测序技术相结的两种DNA离心后相隔一个区带，能被有效分离。合的发展前景。因此，影响DNA浮力密度的两个因素是DNA-SIP技术的关键:(1)DNA被稳定性重同位素标记的程1DNA-SIP技术原

8、理度;(2)微生物基因组GC含量。如表1所示，理论1214计算表明，与自然丰度同位素(CN)组成的脱氧13DNA-SIP技术的基本原理与DNA半保留复制实核糖核苷酸相比，稳定性重同位素C取代轻同位［5］验类似，主要区别在于后者以纯菌为研究对象，证素导致其分子量增加约2.8%－3.1%，浮力密度增明子代DNA源于父代DNA，而前者主要针对微生物加