本文由殷繼忠編譯，董小橙、江舜堯編輯。
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隨著實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展,測序深度不斷增加，成本逐漸下降。對于土壤微生物群落的宏基因組學(xué)和宏轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析也逐漸得以應(yīng)用，但這種研究方法受相關(guān)技術(shù)和生物信息學(xué)的限制，本篇文章討論了組學(xué)在土壤微生物學(xué)中概念的相關(guān)定義，作者也提出了組學(xué)技術(shù)在海洋、淡水和腸道等其他環(huán)境中應(yīng)用的部分觀點(diǎn)。
原名：Dispersing misconceptions and identifying opportunities for the use of 'omics’ in soil microbial ecology
期刊：Nature Reviews Microbiology
IF：26.819
發(fā)表時(shí)間：2015年
通信作者：James I. Prosser
通信作者單位：阿伯丁大學(xué)生物與環(huán)境科學(xué)研究所
微生物作為土壤生物特性、生物地球化學(xué)循環(huán)和土壤生態(tài)系統(tǒng)的主要影響因素，隨著測序技術(shù)的進(jìn)步可以更好的運(yùn)用宏基因組學(xué)和宏轉(zhuǎn)錄組學(xué)方法來解決這些問題。
圖1 土壤樣品的宏基因組學(xué)和宏轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析
圖2 “以基因?yàn)橹行摹焙汀耙曰蚪M為中心”的宏基因組學(xué)之間的差別
1、宏基因組學(xué)和土壤功能
宏基因組學(xué)通過基因的相對豐度來描述群落結(jié)構(gòu)，但重點(diǎn)僅局限于生理功能的一小部分。研究過程中土壤宏基因組學(xué)容易受到分子技術(shù)的限制和誤導(dǎo)，因此宏基因組學(xué)并不能測定完整的群落結(jié)構(gòu)。
從定性角度來說，當(dāng)不需要檢測基因功能的代謝途徑被表達(dá)時(shí)，宿主生物體可能處于休眠、無活性或僅有活性的狀態(tài)。土壤微生物群落含有許多編碼過程中相互排斥的基因。一種酶可以參與幾種不同的生理途徑或作用于不同的生態(tài)系統(tǒng)功能。通過宏基因組分析可以得知與單個(gè)細(xì)胞內(nèi)的特定功能基因相關(guān)的途徑信息。
宏基因組數(shù)據(jù)通常表示功能基因的相對豐度，可以通過兩種酶的相對活性來預(yù)測基因的相對活性。每個(gè)基因組的基因拷貝在不同的系統(tǒng)型之間變化，并且每個(gè)細(xì)胞的基因拷貝將隨著單個(gè)生物體內(nèi)的特定生長速率而變化。
在細(xì)胞內(nèi)，通過途徑的物質(zhì)流動(dòng)可以判斷該途徑中每種酶的量。即使在一個(gè)簡單的途徑中，宏基因組學(xué)技術(shù)對特定酶的敏感性極低，因此，通過該途徑的代謝通量不能準(zhǔn)確反映編碼基因的豐度變化。
作者認(rèn)為基因豐度或相對基因豐度不可以作為生理過程或土壤功能的可靠指標(biāo)。如果可以作為可靠指標(biāo)的話，宏轉(zhuǎn)錄組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)的應(yīng)用將會更加便利。宏基因組學(xué)能夠提供很少的生理特征相關(guān)信息。
描述性和相關(guān)性研究通常可以反映全部的環(huán)境條件; 然而，這些研究往往是基于在單一時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行的測量，所用的方法通常會破壞樣本內(nèi)的空間結(jié)構(gòu)，這意味著時(shí)間和空間的同質(zhì)性是一個(gè)隱含的假設(shè)，而不能反映真實(shí)的生態(tài)系統(tǒng)。
2、宏基因組的價(jià)值
土壤宏基因組學(xué)目前主要是通過描述性研究來分析在單一時(shí)間點(diǎn)和地點(diǎn)采集的土壤樣品。描述性宏基因組學(xué)一般會被用來探究相關(guān)的潛在活動(dòng)信息，但在作者看來，除非該方法具有合理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，否則這種方法幾乎不能得到想要的結(jié)果。
在任何時(shí)間點(diǎn)檢測的宏基因組都可以讓人了解到微生物的功能，代謝途徑以及當(dāng)時(shí)的環(huán)境信息，但實(shí)際上并沒有解釋這些宏基因組信息的基礎(chǔ)歷史信息。盡管由于時(shí)間和空間異質(zhì)性使得宏基因組數(shù)據(jù)與土壤功能相關(guān)聯(lián)極為困難，但宏基因組數(shù)據(jù)則可以用來表征土壤的異質(zhì)性。如果系統(tǒng)發(fā)育和功能之間存在聯(lián)系，特定功能基因的多樣性可能反映其微環(huán)境的異質(zhì)性。由此看來宏基因組學(xué)在研究過程中具有極大潛力。
3、環(huán)境宏轉(zhuǎn)錄組學(xué)和土壤功能
宏基因組學(xué)可以告訴人們微生物存在的信息，宏轉(zhuǎn)錄組學(xué)可以描述微生物具體做的事情。從微生物群落中提取RNA，然后對mRNA進(jìn)行測序，其產(chǎn)生的數(shù)據(jù)可以估算基因轉(zhuǎn)錄物的相對豐度。人們對轉(zhuǎn)錄過程動(dòng)力學(xué)仍知之甚少，但海洋研究結(jié)果表明，轉(zhuǎn)錄本在轉(zhuǎn)錄后幾分鐘內(nèi)就會降解，這對研究轉(zhuǎn)錄本的存在或豐度與代謝活性之間的聯(lián)系具有巨大的影響。酶可能需要翻譯后，或者在轉(zhuǎn)錄完成且轉(zhuǎn)錄物已降解之后，穩(wěn)定的酶才會具有活性。
4、環(huán)境轉(zhuǎn)錄組學(xué)的價(jià)值
通過轉(zhuǎn)錄結(jié)果可以得知基因的上調(diào)下調(diào)情況等信息。宏轉(zhuǎn)錄組技術(shù)能夠?yàn)槲覀兲峁┺D(zhuǎn)錄后的活性信息，但也具有一定的局限性。通過對宏轉(zhuǎn)錄組時(shí)間的研究可能發(fā)現(xiàn)相關(guān)菌群對環(huán)境變化的響應(yīng)。宏轉(zhuǎn)錄組學(xué)數(shù)據(jù)提供了有關(guān)微生物與其環(huán)境之間相互作用的信息。這不僅包括與營養(yǎng)供應(yīng)及代謝途徑相關(guān)的響應(yīng)，還包括生理過程中的環(huán)境響應(yīng)。
5、 土壤微生物學(xué)中的突出問題
5.1、環(huán)境變化的影響
環(huán)境變化對微生物群落的影響及其對土壤生物地球化學(xué)的貢獻(xiàn)取決于其變化程度和群落的生理特征（圖3）。溫度（圖3a）和pH值的微小變化不大可能顯著改變?nèi)郝浣M成。適度的溫度或另一個(gè)環(huán)境參數(shù)變化將導(dǎo)致生物更適應(yīng)新的環(huán)境條件（圖3b）。
圖3 溫度變化對微生物宏基因組和轉(zhuǎn)錄組的影響
5.2、土壤生物地球化學(xué)
宏基因組數(shù)據(jù)是潛在活性和微生物對土壤生物地球化學(xué)潛在貢獻(xiàn)的有用指標(biāo)，與宏轉(zhuǎn)錄組學(xué)相結(jié)合時(shí)，以基因組為中心的宏基因組學(xué)有可能提供更準(zhǔn)確信息，根據(jù)土壤的輸入和產(chǎn)出以及當(dāng)前的環(huán)境條件來預(yù)測土壤宏基因組的功能特征。
5.3、生態(tài)位的特殊性和差異
通過土壤異質(zhì)性與群落結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系可以判斷出生態(tài)位的特殊性和差異。生態(tài)位的特殊性是土壤微生物生態(tài)學(xué)中廣泛存在的假設(shè)，大多用于研究系統(tǒng)發(fā)育和菌屬功能之間的聯(lián)系。宏基因組數(shù)據(jù)無法將系統(tǒng)發(fā)育和功能聯(lián)系起來，阻礙了它在理論研究中的應(yīng)用。然而，基因組為中心的數(shù)據(jù)具有巨大的潛力，可以指明哪些微生物對哪些功能負(fù)責(zé)，并且可以在精心設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)研究中用于對概念進(jìn)行探究和驗(yàn)證。
組學(xué)技術(shù)像其他技術(shù)一樣，它們的價(jià)值并不取決于技術(shù)成本，而是由它們幫助我們明確科學(xué)理論和解決科學(xué)問題的能力所決定。一種新技術(shù)的出現(xiàn)預(yù)示著有了新的方法解決當(dāng)前局限性問題，而這些研究方法只有在該技術(shù)最終能夠幫助解決特定的科學(xué)問題時(shí)才能體現(xiàn)價(jià)值。
