生物多样性 2012, 20 (5): 572–580 Doi: 10.3724/SP.J.1003.2012.10129 Biodiversity Science http: //—————————————————— 收稿日期: 2012-06-13; 接受日期: 2012-08-10基金项目: 国家自然科学基金重点项目(30930005) ∗通讯作者 Author for correspondence. E-mail: guold@中国微生物物种多样性研究进展郭良栋*(中国科学院微生物研究所真菌学国家重点实验室, 北京 100101)摘要: 微生物是分布最为广泛的生命形式, 几乎分布到地球上的所有生境, 具有丰富的物种多样性。
我国地域辽阔, 跨越热带至寒温带, 气候条件多样, 地理环境与生态系统类型复杂, 是世界上生物多样性最丰富的国家之一。
我国已开展了大量微生物多样性研究, 并证实我国多样的生境蕴藏着丰富的微生物物种多样性。
目前我国已报道真核微生物(菌物)约14,700种, 其中包括真菌约14,060种、卵菌约300种、黏菌约340种, 而真菌中有药用菌473种、食用菌966个分类单元。
特别是近年来通过免培养的分子生物学技术发现我国存在丰富的原核微生物多样性。
本文概述了传统方法和现代分子生物学技术在我国原核微生物(古菌、细菌)和真核微生物(真菌、卵菌、黏菌)物种多样性研究的最新进展。
关键词: 真核微生物, 原核微生物, 物种多样性, 培养方法, 分子技术Progress of microbial species diversity research in ChinaLiangdong Guo *State Key Laboratory of Mycology, Institute of Microbiology, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101Abstract: Microbes with rich species and genetic diversity are widely distributed throughout various habitats in the world. China possesses a variety of climate zones, geographic environments, and complex ecosystems, which play a large role shaping the complex biodiversity of this country. Microbial diversity has been widely studied and well documented by Chinese scientists. For example, a total of ca. 14,700 eukaryotic microbe species have been recorded, including ca. 14,060 fungi, ca. 300 oomycetes, and ca. 340 slime molds. Within the Fungi, there have been 473 medicinal fungal species and 966 edible fungal taxa recorded. However, re-cent studies have documented much high species diversity of prokaryotic microbes using molecular tech-niques, which have greatly promoted the study level of microbial diversity in China. This review paper sum-marizes recent research progress of microbial (i.e., archaea, bacteria, fungi, oomycetes, and slime molds) di-versity in China based on traditional and molecular techniques.Key words: eukaryotic microbe, prokaryotic microbe, species diversity, cultivation method, molecular technique微生物是分布最为广泛的生命形式, 几乎分布到地球上的所有生境, 可利用各种有机化合物、无机盐等作为能源, 在有氧或无氧条件下, 在寒冷的极地、高达100℃的热泉或高盐碱度等极端环境中生活。
微生物具有丰富的物种和遗传多样性, 并以高度的变异性适应不同的生境。
作为生态系统中的重要组分, 微生物在自然界的物质与能量循环、生态系统的演替以及生物多样性的维持中发挥重要的生态功能。
微生物与人类的生活休戚相关, 在直接或间接地为人类提供了极其丰富的物质资源的同时, 也为人类带来了巨大危害。
Woese 和Fox(1977)以核糖体RNA(rRNA)的小亚基(原核生物的16S 、真核生物的18S 基因)序列为依据, 提出了独立于真细菌(Eubacteria)和真核生物(Urkaryotes)之外的第三种生命形式——古菌(Archaea), 认为它和真核生物以及真细菌是从一个具有原始遗传机制的共同祖先分别进化而来。
随后Woese 等(1990)提出了三域(Domain)分类系统, 将第5期郭良栋: 中国微生物物种多样性研究进展 573地球上的生物分别归为细菌域(Domain Bacteria)、古菌域(Domain Archaea)和真核生物域(Domain Eukarya), 其中古菌在进化谱系上更接近真核生物, 但在细胞构造上与细菌较为接近, 同属原核生物；而真菌与动物、植物等生物属于真核生物域。
我国地域辽阔, 跨越热带至寒温带, 气候条件多样, 地理环境与生态系统类型复杂, 是世界上生物多样性最丰富的国家之一。
而多样的生境蕴藏着丰富的微生物多样性。
特别是近年来微生物多样性的研究由传统的培养方法, 逐渐转向以免培养的分子生物学技术为主, 如DNA的指纹图谱、分子杂交、克隆文库测序、高通量测序(pyroseqencing)、稳定性同位素探测(stable isotope probing, SIP)、基因芯片(gene chip)以及转录组学等技术。
我国学者利用先进的分子生物学技术, 极大地提高了我国微生物多样性的研究水平。
本文概述了我国近年来在原核微生物(古菌、细菌)和真核微生物(真菌、卵菌、黏菌)多样性研究的最新进展, 并展望微生物多样性的研究前景。
1古菌多样性目前古菌域包括5个门: 广古菌门、泉古菌门、奇古菌门、纳米古菌门和初古菌门。
古菌主要生活在极端环境中, 如海底、陆地热泉、火山口以及盐碱湖等, 最近发现古菌也在土壤、湖泊以及动物肠道等中温环境中广泛存在。
据Mora等(2011)的不完全统计, 目前全世界已报道可培养的古菌有503种。
我国在古菌多样性研究方面取得了重要进展, 如在ISI Web of Knowledge数据库中检索结果表明, 自1999年以来我国学者在国际微生物分类学界公认的权威期刊International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology (IJSEM, 2000年前为International Journal of Systematic Bacteriology)和Extremophiles上发表了50篇古菌分类文章, 总共报道了61种可培养的古菌新种。
如Xu等(1999)从我国西藏盐碱湖底泥中分离到两种嗜盐碱古菌新种Natronorubrum bangense和N. tibetense, 随后我国学者相继从新疆的盐湖、内蒙古碱湖、云南腾冲热泉、江苏和福建等地的盐场、山东胜利油田、青藏高原高寒湿地和柴达木盆地内陆咸、淡水湖, 以及黑龙江大庆的盐碱地土壤等样本中分离得到了嗜/耐盐碱古菌、嗜热酸的硫化叶菌、产甲烷古菌、极端嗜热古菌新种(Xin et al., 2000; Xu et al., 2001; Xiang et al., 2003; Cheng et al., 2007; Cui et al., 2007, 2010; Tian et al., 2010; Wang et al., 2010; Liu et al., 2011; Zhu et al., 2011b)。
由于古菌常生活在极端环境中, 仅凭常规的分离培养方法难以全面反映自然环境中古菌的多样性。
因此, 近年来我国学者利用免培养的分子生物学技术开展了大量的古菌多样性与功能研究。
如利用克隆文库测序和SIP技术发现水稻根际土壤中具有丰富的古菌多样性, 而且RC-I (Rice Cluster I)古菌类群在稻田CH4的产生过程中起着重要的作用(Lu & Conrad, 2005); 通过克隆文库测序和实时荧光定量PCR技术发现我国南方红壤中存在丰富的氨氧化古菌(ammonia-oxidizing archaea, AOA), 且施肥处理明显影响AOA的群落组成与丰度(He et al., 2007), 并进一步利用SIP技术证实我国南方红壤中AOA的丰度与氨氧化速率呈显著正相关(Zhang et al., 2012a)。
Cao等(2012)分析北京、天津、山东、河南、湖南等5省市的4种土壤类型(褐土、棕壤、潮土、红壤)中16S rRNA基因序列表明, 红壤中的古菌类型以Crenarchaeota group 1.3和1.1c为主, 而其他3种土壤类型中的古菌以Crenarchaeota group 1.1b和1.1a为主。
利用实时荧光定量PCR和克隆文库测序技术发现青海湖底泥中的古菌是原核微生物的优势类群, 主要包括深海群体MBG-B, -C和-D (Marine Benthic Group-B, -C, -D)和MCG (Miscella- neous Crenarchaeotic Group)等(Jiang et al., 2008), 而在青藏高原若尔盖湿地中Zoige cluster I (ZC-I)是优势的产甲烷古菌类群(Zhang et al., 2008)。