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1、宏基因组学概述王莹，马伊鸣（北京交通大学土木建筑工程学院环境1402班）摘要：随着分子生物学技术的快速发展及其在微生物生态学和环境微生物学研究中的广泛应用，促进了以环境中未培养微生物为研究对象的新兴学科——微生物环境基因组学(又叫宏基因组学、元基因组学，英文名Metagenomics)的产生和快速发展。宏基因组学通过直接从环境样品中提取全部微生物的DNA，构建宏基因组文库，利用基因组学的研究策略研究环境样品所包含的全部微生物的遗传组成及其群落功能．在短短几年内，宏基因组学研究已渗透到各个领域，包括海洋、土壤、热液口、热泉、人体口腔及胃肠道等，并在医药、替代能源、环境修复、生物技
2、术，农业、生物防御及伦理学等各方面显示了重要的价值。本文对宏基因组学的主要研究方法、热点内容及发展趋势进行了综述关键词： 宏基因组 宏基因组学 环境基因组学 基因文库的构建MacrosummaryofMetagenomicsWangYing,MaYi-Ming（BeijingJiaotongUniversity,Instituteofcivilengineering,）Keywords:Metagenome;Metagenomics;Theenvironmentalgenomics宏基因组学（Metagenomics）又叫微生物环境基因组学、元基因组学。它通过直接从环境样品中提
3、取全部微生物的DNA,构建宏基因组文库，利用基因组学的研究策略研究环境样品所包含的全部微生物的遗传组成及其群落功能。它是在微生物基因组学的基础上发展起来的一种研究微生物多样性、开发新的生理活性物质（或获得新基因）的新理念和新方法。其主要含义是：对特定环境中全部微生物的总DNA（也称宏基因组，metagenomic）进行克隆，并通过构建宏基因组文库和筛选等手段获得新的生理活性物质；或者根据rDNA数据库设计引物，通过系统学分析获得该环境中微生物的遗传多样性和分子生态学信息。1.起源宏基因组学这一概念最早是在1998年由威斯康辛大学植物病理学部门的JoHandelsman等提出的，
4、是源于将来自环境中基因集可以在某种程度上当成一个单个基因组研究分析的想法，而宏的英文是"meta-"，具有更高层组织结构和动态变化的含义。后来伯克利分校的研究人员KevinChen和LiorPachter将宏基因组定义为"应用现代基因组学的技术直接研究自然状态下的微生物的有机群落，而不需要在实验室中分离单一的菌株"的科学。2研究对象宏基因组学(Metagenomics)是将环境中全部微生物的遗传信息看作一个整体自上而下地研究微生物与自然环境或生物体之间的关系。宏基因组学不仅克服了微生物难以培养的困难,而且还可以结合生物信息学的方法,揭示微生物之间、微生物与环境之间相互作用的规律
5、,大大拓展了微生物学的研究思路与方法,为从群落结构水平上全面认识微生物的生态特征和功能开辟了新的途径。目前,微生物宏基因组学已经成为微生物研究的热点和前沿,广泛应用于气候变化、水处理工程系统、极端环境、人体肠道、石油污染、生物冶金等领域,取得了一系列引人瞩目的重要成果。3研究方法宏基因组学的研究过程一般包括样品和基因(组)的富集；提取特定环境中的基因组DNA；构建宏基因组DNA文库；筛选目的基因；目的基因活性产物表达(图1)五个步骤。图1环境微生物宏基因组学研究过程Fig.1Generalprocessofmetagenomicstrategie3.1环境样品及目的基因组富集在
6、宏基因组文库筛选过程中目的基因仅占总DNA的一小部分,对环境样品的预富集可以大大提高目的基因的检出几率。目前预富集技术主要分为细胞水平富集和基因组水平富集。其中细胞水平富集主要是通过利用选择培养基对目的微生物进行富集培养,最常用的方法是底物选择,此外还包括营养选择及物理化学指标选择。但是由于富集培养选择性地富集了具有快速生长特性的菌群,因此导致大部分物种多样性信息丢失。目前可以通过先在严格胁迫条件下短期处理,然后改为较温和的处理条件,可以从一定程度上克服这种方法的局限性。基因组水平富集常用的技术为稳定同位素探针技术(SIP),原理是采用稳定同位素标记底物,其中的“重”原子掺入到
7、具有代谢活性的微生物核酸中,采用密度梯度离心的方法将“重”的DNA与“轻”组分分离,被标记的“重”核酸可以作为PCR的模板,用来构建宏基因组文库。例如采用C标记的甲醇研究森林土壤宏基因组DNA,结果鉴定出变形细菌α-亚纲中所有已知的嗜甲基菌,并在一种嗜酸菌中发现了新的甲醇还原酶基因。此外,还有报道利用抑制性消减杂交技术、差异显示技术、噬菌体展示技术、亲和捕获技术及DNA微阵技术等技术来富集目的基因。3.2宏基因组DNA的提取获得高浓度、大片段、无偏好的环境样品总DNA是宏基因组文库构建的难点
