FEMS综述——土壤微生物生态学的已知和未知

The known and the unknown in soil microbial ecology

Journal: FEMS Microbiology Ecology

Published: 09 January 2019

最近刚出来一篇土壤微生物生态方面的综述。旨在指出目前土壤微生物生态学研究的主流方法存在的不足之处，并为进一步深入认识土壤功能提供一些思路。

本文是我阅读后对自己感兴趣的几个点进行了总结。

摘要

我们对土壤的认识在很多方面都存在不足。如描述微生物群落的工具并不完善；很难将微生物与其功能进行联系；酶活性测定的分析方法还不完善等。未来重要的是要更详细地研究土壤，以便更好地了解单个微生物的特性、它们原位的相互作用、代谢速率和单个微生物尺度上的活动。还需要扩大规模，以便在生态系统或生物群落级别上进行研究。

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Microbial communities: going beyond taxonomic lists?

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目前的16S引物对细菌的覆盖度仍存在缺陷。很多细菌不能用扩增子的方法得到，只能通过宏基因组测序得到。另外由于拷贝数存在变化（1 ~ 16），16S序列的丰度并不等同于分类单元的实际丰度。虽然目前已经有了一些校正方法可以得到绝对丰度，但是这些方法都基于相似的细菌有着相似的拷贝数这一观点。

另外，一个细菌的16S序列多拷贝之间可能相似性也很低，因此造成对物种的高估。

关于真菌拷贝数和物种系统发育的关系，之前文献进行过简单介绍，参见2018.12.27近期一些有趣文献中第5篇，拷贝数的相似性与系统发育距离呈负相关关系。

虽然ITS物种分辨率最好，但是对于相距很远的真菌不能进行比对，因此不能用于系统发育研究。（这里原文没有引用文献，我表示怀疑）

因此18S（SSU）和28S（LSU）的研究和使用一直在进行。

ITS2优于ITS1，但是也会带来很多bias，尤其是对Dikarya。LSU, SSU, ITS拷贝数差异更大（1~几百），难以准确定量，且和真菌基因组大小关系不明确。

rpb2区别度和覆盖度都比较高，且为单拷贝。ITS2 和 rpb2得到的真菌物种差异非常大。

关于rpb2，会在以后文章进行说明。

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Linking microbial taxa, ecosystem functions and traits

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基因组上相似的物种在功能在也相似，这一观点也被应用与功能预测的工具上，如PICRUSt 和 Tax4Fun。但是近期研究表明即使16S相似度在97-99%，划入到了一个物种中，但他们的基因组相似性变化仍可以很大（25~95%）。

另一个关联物种和功能的方法是分离。长时间培养、原位培养或培养基稀释等方法提高了分离未培养物种的能力。另外一些方法，如同位素标记，可以和基质的利用相联系。

EpicPCR技术可以同时扩增一个基因组上的两段基因，可以同时关注16S和其他感兴趣的基因，在将来肯定会大放异彩。

之前写过文章对EpicPCR进行了详细介绍。参见文献解读 —— 白话epic-PCR

此外，宏基因组和单细胞基因组也可以得到功能信息。

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Soil process rates and how to link them to microbes?

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因为许多土壤过程随着微生物数量的增加而扩大，就需要检测总微生物生物量，方法有PLFA或定量PCR。

酶分析理论上提供了土壤生物和生物化学反应之间的直接联系。因此经常被使用，但同时它们也经常被不恰当地使用或定位不恰当的靶点。文章关于酶这部分内容较多，我不感兴趣，此处略。

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Considering soil complexity: scales, spatial heterogeneity and temporal dynamics

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当前土壤微生物生态学的方法局限性本身就对我们探索土壤功能提出了挑战，但我们不应忘记，土壤作为一个系统本身的复杂性带来了超越基本方法的多种挑战。其中最重要的是土壤结构的复杂性，垂直分层、空间变异和特定微生境的存在，以及从几个小时到几个世纪的不同尺度的土壤过程的动力学。

研究单个的微生境是了解微生物真实生活；识别微生物的热点地区（hotspots）和“冷点”（coldspots）以及了解种间相互作用的方法之一。

关于土壤的hotspots，之前也写过文章介绍，参见：SBB-土壤微生物hotspots:概念&综述

此外，目前的研究集中于表层土，底层土有着不同的活性热点及土壤性质，需要更多的关注。

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Reference

Baldrian, P. (2019). The known andthe unknown in soil microbial ecology. FemsMicrobiology Ecology. doi:10.1093/femsec/fiz005

一个环境工程专业却做生信分析的深井冰博士，深受拖延症的困扰。想给自己一点压力，争取能够不定期分享学到的生信小技能，亦或看文献过程中的一些笔记与小收获，记录生活中的杂七杂八。