探析高通量測序在環境微生物學中的應用

陳雨菲 王森

摘 要：在一個生態系統中，最為充滿活力的結構和功能單位當屬微生物的群落，其數量之多，種類之多是生態系統中絕大多數群落所無法比擬的。所以研究和探索豐富多彩的微生物群落的結構和生存能推動對生態系統的探知。對微生物群落進行研究的技術也在微生物學快速發展的進程中不斷的創新進步，高通量測序就是當下對微生物群落進行研究的一種十分有效的方式。通過這種科研技術能夠在一次測序中得到很多條不同的基因序列，這對科研的效率是極大的提高，所以高通量測序的技術在環境微生物學中的應用十分廣泛，受到業內專業人士的高度追捧。本文對高通量測序及其應用進行了簡要的闡述。

關鍵詞：高通量測序；環境微生物學；技術應用

1 高通量測序

1.1 發展歷史

社會發展推動著科學技術的蓬勃發展，對于基因測序技術的創新也在不斷的探索創新中取得了很大進步。每一種測序的技術均可以使科學家們在研究環境微生物時將研究的基礎建立在基因的基準上，以此為基準，研究的透徹度更加大，科研的難度也更小。在20世紀的70年代中，有一種名為Sanger測序法的技術出現，但是這種技術從誕生開始在實際的科研工作中并沒有更大的進步和發展，這主要是被這種方法本身測序成本高、通量低的弊端所制約。但是，這種技術依然是90年代到現在被延續使用的測序基礎技術之一。對于人類基因學科的發展，這種落后的測序技術顯然是無法滿足現在人們對龐大基因序列進行分析研究的要求，于是，新興的測序技術也逐漸浮出水面——高通量測序。這種技術每次都能通過分析獲得幾十萬甚至于幾百萬條的基因序列，因此被稱作高通量。它具有成本較低，通量很高的優點。

1.2 高通量測序的特點

1.2.1 通量高

在現在的科學技術中，一臺正常運轉高通量測序技術的機器在兩周內生產出360G的基因序列數據并不是一件困難的事情。

1.2.2 測序的準確率很高

高通量測序技術在進行測序時得到的數據的準確率在98.5%以上，較高的準確率能夠把多聚重復基因序列造成的讀取困難的問題進行比較高效的解決。

1.2.3 測序成本低

高通量測序之所以能夠被更廣泛的應用其一個重要原因就是這種技術在應用時所需要的成本低于原有的傳統測序方式，如Sanger測序，前者的成本低于后者約1%。

1.2.4 基因序列的讀取長度較長

技術的不斷發展使得高通量測序技術在讀取DNA序列時所能達到的長度越來越長，現有技術下，讀取單條基因序列的長度最高可以到達150bp的程度。

1.2.5 可進行Pair-end雙向測序

高通量測序的技術結合Pair-end雙向測序的技術，后者的基因文庫中可以插入150bp到10kp大小范圍內的基因片段。若能正確合理的決定插入到文庫中的片段將能夠對高重復序列基因組進行更為高效的組合，這種技術的結合更開拓了高通量測序技術實際可以應用的范圍，推動了其發展。

2 高通量測序在環境微生物學中的應用

將高通量測序的技術應用于某一范圍內的土壤區域或某一個生物膜中，可以檢測出這一區域中所含有的各種菌類及其結構組成，進而可以分析研究這一區域內的所生存的微生物物種的多樣性。并且通過高通量測序，還可以清晰的了解到微生物群落的分布、結構和組成然后將所得結果與環境微生物所具有的生物活性、營養轉化等多種微生物的理化性質結合，進行更為深入的探究，能推動微生物功能方面的研究，了解其功能的多樣性。

這種應用在我國有很多實例，例如張彩霞等人。他們對甘肅各地域的不同土壤的環境條件進行探究，通過高通量測序等方式的綜合利用，分析對照所得數據，他們發現了在土壤逐漸由天然荒漠向各種不同類型的土壤發生轉變的時候，微生物群落的數量經歷了多→少→多的進程。坦然荒漠土壤中約96%的微生物在這場變化中受到了抑制，生長緩慢。約總數4%的微生物卻在變化的次生演變中生長的速度得到促進，大量繁殖。以上數據證明在土地演變過程中，微生物群落的結構會受到很大的影響。

Michaela等人探究森林凋謝物和森林土壤，為了得到其中微生物的群落分布和結構，采取了高通量測序的技術對28個地點的樣本測序、分析。經過數據對比，得出了森林凋謝物和土壤中的微生物群落有著相互區別的結構。進一步研究表明，在這些微生物群落中，細菌具有比真菌更為豐富的多樣性。并且，在森林凋謝物中，細菌群落所表現出的均勻度更為突出。同時，通過研究還發現，不論森林凋謝物還是森林土壤中，樹木的種類都對微生物群落的分布和結構產生了顯著的影響，一定程度上，樹木的種類可以起到引導微生物群落結構變化的作用。

3 高通量測序技術的未來發展

現如今，高通測序技術正在快速發展、突破，核算序列測定的速度和其測定所需要耗費的成本之間的比值，在這個背景之下在以一個巨大的幅度增加。所以，未來環境微生物學的科研工作中，全基因組序列的測定技術必然會逐漸的成為每位微生物學家在實驗室進行科研時普遍使用的常規研究技術。高通量測序技術衍生出了的兩種學科：基因組學和轉錄組學。這兩種學科的發展和革命，將為環境微生物學的進一步變革發展打下堅實的技術基礎。隨著測序技術的發展，研究所得的數據信息量越來越龐大，需要更先進的統計方法和數據處理、分析軟件來適應測序技術的快速發展。

4 結語

當下的高通測序技術依然是雛鷹一般的稚嫩，有著巨大的發展空間。可以看出的是，在這一類測序技術的成本下降、通量持續增大是未來的發展趨勢。科研工作者可以通過更少的代價得到更多有利于推動學科研究的數據，分析處理后必然將為基因類學科的發展提供更多的動力。

參考文獻

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（作者單位：河海大學）