土壤微生物分子生态学研究方法进展

摘 要：环境中大多数微生物处于“不可培养”的状态，传统的微生物纯培养技术作为鉴定微生物种群的手段有很大的局限性。本文主要介绍了核酸探针杂交技术和基于PCR技术的研究方法方面的某些进展。这些方法揭示了土壤微生物群落丰富的多样性和生态功能。现代生物技术和传统微生物研究方法的配合将为土壤微生物学研究提供较好的前景。

关键词：土壤微生物生态学；核酸探针杂交；梯度凝胶电泳；PCR

土壤中存在着极其丰富的微生物种类，它们在土壤生态系统中各自行使着独特的功能。自1953年以来，分子生物学理论和技术取得了惊人的成就，许多分子生物学研究方法和理念被应用到微生物生态学研究中，为微生物生态学研究领域注入了新的活力，极大地推动了微生物分子生态学的发展。下面介绍近年主要的几种研究方法：

一、标记核酸探针杂交技术

1.基本原理

以核酸分子杂交技术为核心，利用探针分析DNA序列及片段长度多态性。探针是能与特定核苷酸序列发生特异性互补的已知核酸片段，它可以是长探针（100～l000bp），可以是短核苷酸片段（10～50bp），也可以是从RNA制备DNA探针，斑点印迹和狭线印迹杂交等不同的方法。

2.应用

科学家应用核酸杂交方法研究了被燃油污染及不污染的土壤提取的细菌DNA，结果表明：被污染的土壤提取的细菌DNA中各种烃的降解基因的检出率显著高于不污染的样品，且定量分析结果表明污染越严重，这种降解基因的含量越高，因而可以用该方法作为对土壤中燃油污染程度的评价。

3.原位荧光杂交技术

（1）基本原理。FISH是以荧光标记取代同位素标记的一种新的原位杂交方法。它检测核苷酸序列是利用荧光标记的探针在细胞内与特异的互补核苷酸序列杂交，通过激发杂交探针的荧光来检测信号。

（2）应用及其优缺点。可以进行样品的原位杂交，应用于环境定微生物种群鉴定、种群数量分析及其特异微生物跟踪检测，现已成为微生物分子生态学研究中的热点技术，在土壤微生物分子生态学领域应用广泛。FISH技术的应用受到环境样品微生物的生理状态的影响，芽孢、放线菌及休眠时期的细胞的细胞膜的通透性低，影响群落中部分种属丰度的错误估计。

二、基于PCR技术的研究方法

PCR是一种聚合酶链式反应技术，主要特点是短时间内在实验室条件下人为地控制并特异扩增目的基因或DN段，使研究的目的基因及其环境样品中的微量微生物基因得到无限的扩增，为这些基因和微量微生物种群的研究提供了保证。

1.PCR-RFLP方法

（1）原理。PCR-RFLP法是将PCR引物中的一条加以荧光标记，其基本原理是用PCR扩增目的DNA，扩增产物再用特异性内切酶消化切割成不同大小片段，直接在凝胶电泳上分辨。

（2）应用。现在很多研究人员利用16SrRNA来研究土壤微生物的多样性。该技术还可以用来监测因环境改变而引起的微生物种群的变化。

2.PCR-SSCP方法

（1）原理。日本Orita等研究发现，单链DN段呈复杂的空间折叠构象，这种立体结构主要是由其内部碱基配对等分子内相互作用力来维持的。当有一个碱基发生改变时，会或多或少地影响其空间构象，使构象发生改变。空间构象有差异的单链DNA分子在聚丙烯酰胺凝胶中受排阻大小不同。因此，通过非变性聚丙烯酰胺凝胶电泳，可以非常敏锐地将构象上有差异的分子分离开。

（2）应用。Sabine Peters等人用该法研究群落的演替和菌种的多样性，并同传统的培养方法比较指出PCR-SSCP方法避免了传统培养的费时费力以及误差大的干扰，适合对微生物群落结构和演替的分析。

三、DNA扩增片段梯度电泳检测技术

1.变性梯度凝胶电泳

（1）基本原理。双链DNA分子在一般的聚丙烯酰胺凝胶电泳时，其迁移行为决定于其分子大小和电荷。DGGE技术在一般的聚丙烯酰胺凝胶基础上，加入了变性剂（尿素和甲酰胺）梯度，从而能够把同样长度但序列不同的DN段区分开来。

（2）应用。DGGE方法是应用最早也是最常用的单碱基突变筛查方法之一，自从1993年DGGE被引入微生物学以来，该技术被广泛地用作分子工具比较微生物群落的多样性以及监视种群动态。PCR-DGGE用于分析华盛顿州东部4种土壤细菌群落结构和多样性，结果表明：管理和农学实践对细菌群落结构的影响比年降水量更大。

2.温度梯度凝胶电泳

（1）基本原理。温度梯度凝胶电泳技术则是利用温度梯度变性的原理，利用了不同分子在温度改变下构象的差别进行分离。

（2）应用。对人类疾病基因的突变或者转基因动物的突变个体的检测，需要这种检测或筛选方法能够检出所有可能发生的突变情况。TGGE技术的最大特点就是具有高分辨能力，能够100%检出只存在单碱基差异的突变个体，该方法还有电泳条件易于控制、重现性好、操作简便快速等优点，所以这种方法出现以后很快就得到广泛的应用，包括用分子生物学技术进行研究的肿瘤学、病毒学、免疫学、群体分析和RNA研究等领域。

（作者单位：江西省兴国县第三中学）