土壤微生物檢測多樣性研究中存在的問(wèn)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(shí)間尺度上的動(dòng)態(tài)變化研究較少。人們觀(guān)測到很多微生物介導的生物地球化學(xué)過(guò)程均顯示出季節性的動(dòng)態(tài)變化，如溫室氣體排放通量。然而，這些過(guò)程與微生物群落組成和多樣性動(dòng)態(tài)變化的關(guān)系尚不清楚。在為數不多的一些有關(guān)土壤微生物群落動(dòng)態(tài)變化研究中，人們利用時(shí)間序列分析和高通量測序技術(shù)發(fā)現，一些生態(tài)系統中土壤微生物群落組成和多樣性也表現出明顯的動(dòng)態(tài)變化，動(dòng)態(tài)變化的模式因不同生態(tài)系統而有差異。揭示這種動(dòng)態(tài)變化的規律及其驅動(dòng)機制，可以使我們深入認識微生物群落的演替規律及其對生態(tài)系統功能的影響，以揭示群落穩定性與生物多樣性的關(guān)系，預測微生物群落對氣候變化、土地利用等擾動(dòng)的響應。為了闡明這些科學(xué)問(wèn)題，需要在不同生態(tài)系統中對土壤微生物類(lèi)群和基因組進(jìn)行長(cháng)期、定點(diǎn)、動(dòng)態(tài)的監測;同時(shí)結合其他生態(tài)過(guò)程監測，如生物地球化學(xué)過(guò)程、植被演替等，以便獲得系統的監測數據。
zui近十余年來(lái)，上開(kāi)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(zhuān)門(mén)針對土壤微生物組的研究計劃。當前進(jìn)行的微生物組計劃沒(méi)有能夠很好地合作，研究方法也不統一，雖然各研究計劃都產(chǎn)生了大量數據，但很難對這些數據進(jìn)行整合。如利用16SrRNA基因鑒定微生物群落組成時(shí)，由于擴增16SrRNA基因的引物不同，zui終獲得的數據差異很大。另外，由于生物信息處理序列數據時(shí)選擇的方法不同，估算微生物物種數量時(shí)可以差2–3個(gè)數量級。因此，對微生物多樣性監測工作而言，標準化的研究流程和研究方法對于數據的可比性非常重要。然而，每種研究方法均有其局限性，過(guò)分追求標準化也不利于創(chuàng )新。如用常用的16SrRNA引物515F/806R調查土壤微生物組成時(shí)，可能會(huì )漏掉一些*的菌群。在第三代單分子測序技術(shù)的應用中，在對測序數據進(jìn)行處理時(shí)，進(jìn)行OTUs（可操作分類(lèi)單元）分類(lèi)是關(guān)鍵的一步，目前雖然有很多計算方法，但沒(méi)有一種方法適用于所有的情況，所以要根據研究問(wèn)題、數據情況和計算能力來(lái)選擇。
對于土壤微生物檢測多樣性監測的系統研究工作很少，可以借鑒的經(jīng)驗和標準方法不多。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)系統中微生物群落組成和分布的數據，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準化的方法，涉及實(shí)驗室技術(shù)和數據處理流程等，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，可重復性強，但價(jià)格較高。PCR擴增16SrRNA基因建議用515F/806R,利用Illumina公司的Miseq或Hiseq平臺測序;18SrRNA基因的擴增推薦用Euk_1391f和EukBr，擴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的宏數據也進(jìn)行了一定的規范。但是，該項目沒(méi)有對野外取樣過(guò)程和土壤微生物動(dòng)態(tài)監測的方法提出建議。這種人為設定的標準方法和流程還存在一些問(wèn)題。筆者認為，在土壤微生物多樣性監測方法的選擇上，要根據不同的研究目的制定出多套研究方案，同時(shí)及時(shí)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測將產(chǎn)生大量數據，加上已經(jīng)發(fā)表的數據，數據的管理、查詢(xún)和挖掘亟需建立大數據平臺，然而至今尚沒(méi)有系統的土壤微生物多樣性的數據集和專(zhuān)業(yè)數據庫。如何實(shí)現微生物多樣性監測數據的共享，涉及到很多具體問(wèn)題需要解決，如數據整合和共享方式、數據庫運行支撐體系、知識產(chǎn)權保護問(wèn)題等等。
另一方面，為了研究一個(gè)物種的生理、生化特征及工業(yè)應用，分離純化功能微生物是非常重要的。至今，環(huán)境中的大多數微生物物種還不能在實(shí)驗室中被分離培養出來(lái)，這是當前土壤微生物多樣性研究中存在的一個(gè)大問(wèn)題，因此，傳統分離培養方法的改進(jìn)也是土壤微生物多樣性研究的重要課題。利用監測獲得的數據可以得到物種的分類(lèi)信息，把要分離的物種與已分離菌種的生長(cháng)條件進(jìn)行比較，通過(guò)查詢(xún)已知培養基數據庫（如KOMODO），可以為分離新菌種推薦培養基和培養條件。而一株重要功能微生物的獲得，可以對人類(lèi)社會(huì )產(chǎn)生巨大的影響。
綜上所述，建議在國家層面上頂層設計相關(guān)重大項目，圍繞土壤微生物多樣性監測、微生物資源挖掘、分離培養新技術(shù)和微生物資源大數據共享平臺建設等方面重點(diǎn)開(kāi)展研究。