幻灯片1-中国科学院微生物研究所

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1、元基因组学技术——大片段文库的构建朱雅新zhuyx@Im.ac.cn微生物前期开发国家重点实验室2012－3－29微生物所十二讲测试技术论坛提纲直接针对特定生境中宏量生物信息（DNA.mRNA.micRNA.蛋白等）的研究技术在近年来发展迅速，元基因组技术是重要的基础之一，该技术通过分析微生物种群生态分布、群体遗传特征、特殊环境微生物资源及微生物与人类关系等，已经在地球环境气候科学、生物酶资源、人类健康等方面取得了重要的进展。本讲座结合微生物所现有相关的仪器设备及基因资源库，主要介绍元基因组技术的研究方法及进展，讲述大片段文库构建的方法及常见问题的解决方案，探讨基因资源库的选择

2、与构建，开发与利用等。内容提要元基因组学元基因组学的基本策略大片段基因组文库元基因组文库的筛选元基因组测序相关的仪器介绍微生物所现存元基因组库背景资料微生物是地球上生物量（约占总生物量的60%）最大的生物类群，ThetotalnumberofmicrobialcellsonEarthisestimatedtobe1030(Turnbaugh,P.J.,2008)1985年Staley,J.T.,等发现在实验室能够培养的微生物不能够代表全部的微生物世界.1991年Pace等人首次提出环境基因组学(Environmentalgenomics)的概念,直接提取太平洋浮

3、游生物样品总DNA，构建了第一个噬菌体文库,发现了15种全新的细菌序列。首次报道利用元基因组文库发现新物种。1998年Handelsman等首次将“特定小生境中全部微小生物遗传物质的总和”定义为宏基因组(Metagenome),thegenomesofthetotalmicrobiotafoundinnature”背景资料基因组（genome）是生物体内遗传信息的集合，是某个特定物种细胞内全部DNA分子的总和。基因组学（genomics）是指研究并解析生物体整个基因组的所有遗传信息的学科。基因组计划（GenomeProject）是指对人类以及其它生物体全基因组的测序工作(s

4、equencing)。人类基因组计划（HumanGenomeProject，HGP）：90年代提出并已基本完成，同40年代原子弹爆炸，60年代人类登月一起被认为是二十世纪科技发展史上的三大创举人类元基因组：与人类共生的全部微生物的基因组总和。元基因组学元基因组学又叫宏基因组学（Metagenomics),MicrobialEnvironmentalGenomics,Ecogenomics,CommunityGenomics）它包含了可培养的和未可培养的微生物的基因,目前主要指环境样品中的细菌和真菌的基因组总和。它是采用未培养技术，通过分子生物学手段，绕过对微生物进行菌种分离

5、纯培养这一步骤，直接对环境中的微生物基因资源进行研究和开发的一种方法。以环境样品中的微生物群体基因组为研究对象,以功能基因筛选和/或测序分析为研究手段,以微生物多样性、种群结构、进化关系、功能活性、相互协作关系及与环境之间的关系为研究目的的新的微生物研究方法元基因组学方法环境样品中的微生物组成的群落构成了一个巨大而复杂的基因库。通过直接从环境样品中提取全部微生物的基因组DNA,mRNA，克隆到已经培养驯化的宿主生物体中，构建元基因组DNA、cDNA文库。来研究微生物的生理、生化特性以及环境样品所包含的全部微生物的遗传组成及其群落功能。元基因组学研究的意义1:认识未培养的微生物

6、目前研究表明：自然环境中90-99.9％的微生物采用现有培养技术是不能够被培养的，（海水中微生物的可培养性约为0.001％～0.100％、淡水约0.25％、土壤约0.3％、活性污泥为1％～1.5％左右，瘤胃约小于10%）2:研究不同微生物构成的群落及其相互关系,使得认识单元实现从单一基因到基因集合的转变微生物通过群落而非单一个体来发挥这些重要功能。水体、土壤、肠道和很多的人工生物环境（如废水处理、食品发酵、堆肥、沼气池，等等）都具有很复杂的微生物群落，这些微生物相互作用、共同协作，一起完成复杂的代谢功能及生命活动。3:筛选获得新型活性物质元基因组学方法已经应用在ocean

7、surfaces,deepseavents,hotsprings,soil,animalrumenandgut,humanoralcavityandintestine等领域。元基因组学在开发微生物资源多样性、筛选获得新型活性物质、发掘与抗生素抗性、维生素合成及污染物降解相关的蛋白质等方面展示了很大的潜力。为解决环境、能源以及健康等几个重大课题提供了一系列的新研究技术和新思路。元基因组学研究的意义理论价值在海洋微生物对于基于视紫质的光合细菌的发现，确认了微生物在海洋碳