基因组学研究概述论文

微生物 微生物(microorganism简称microbe)是包括细菌、病毒、真菌以及一些小型的原生动物等在内的一大类生物群体，它个体微小，却与人类生活密切相关。微生物在自然界中可谓“无处不在，无处不有”，涵盖了有益有害的众多种类，广泛涉及健康、医药、工农业、环保等诸多领域。 原核：细菌、放线菌、螺旋体、支原体、立克次氏体、衣原体。 真核：真菌、藻类、原生动物。 非细胞类：病毒和亚病毒。 微生物一般地，在中国大陆地区的教科书中，均将微生物划分为以下8大类：细菌、病毒、真菌、放线菌、立克次体、支原体、衣原体、螺旋体。 微生物的定义 一切肉眼看不见的或看不清的微小生物的总称 1 特点: 个体微小,一般<。 构造简单,有单细胞的,简单多细胞的,非细胞的 进化地位低。 2 分类 原核类: 三菌,三体 。 真核类: 真菌,原生动物,显微藻类。 非细胞类: 病毒,亚病毒 ( 类病毒,拟病毒,朊病毒) 3 五大共性: 体积小,面积大 吸收多,转化快 生长旺,繁殖快 适应强,易变异 分布广,种类多 二、微生物的类群 1 细菌: (1)定义:一类细胞细短,结构简单,胞壁坚韧,多以二分裂方式繁殖和水生性强的原核生物 (2)分布:温暖,潮湿和富含有机质的地方 (3)结构:主要是单细胞的原核生物,有球形,杆形,螺旋形 细胞壁 基本结构 细胞膜 细胞质 结构 拟核 鞭毛 特殊结构 荚膜 芽孢 (4)繁殖: 主要以二分裂方式进行繁殖的 (5)菌落: 单个细菌用肉眼是看不见的,当单个或少数细菌在固体培养基啊行大量繁殖时,便会形成一个肉眼可见的,具有一定形态结构的子细胞群落. 菌落是菌种鉴定的重要依据.不同种类的细菌菌落的大小,形状光泽度颜色硬度透明毒都不同. 2 放线菌 (1)定义:一类主要成菌丝状生长和以孢子繁殖的陆生性较强的原核生物 (2)分布:含水量较低,有机物较丰富的,呈微碱性的土壤中 (3)形态构造:主要由菌丝组成,包括基内菌丝和气生菌丝(部分气生菌丝可以成熟分化为孢子丝,产生孢子) (4)繁殖:通过形成无性孢子的形式进行无性繁殖 无性繁殖 有性繁殖 (5)菌落:在固体培养基上:干燥,不透明,表面呈致密的丝绒状,彩色干粉 3 病毒 (1) 定义:一类由核酸和蛋白质等少数几种成分组成的”非细胞生物”,但是它的生存必须依赖于活细胞. (2)结构: (3)大小: 一般直径在100nm左右 最大的病毒直径为200nm的牛痘病毒 最小的病毒直径为28nm的脊髓灰质炎病毒 (4)增殖:以 噬菌体为例: 吸附 侵入 增殖 装配 释放 第二节微生物的营养 一、微生物的化学组成 C,H,O,N,P,S以及其他元素 二、微生物的营养物质 1 水和无机盐 2 碳源:凡能为微生物提供生长繁殖所需碳元素的营养物质 来源 作用 3氮源:凡能为微生物提供所必需氮元素的营养物质 来源 作用:主要用于合成蛋白质,核酸以及含氮的代谢产物 4 能源:能为微生物生命活动提供最初能源来源的营养物质或辐射能 根据碳源和能源分类: 5生长因子:微生物生长不可缺少的微量有机物 能引起人和动物致病的微生物叫病源微生物有八大类： 1.真菌:引起皮肤病。深部组织上感染。 2放线菌：皮肤，伤口感染。 3螺旋体：皮肤病，血液感染 如梅毒，钩端螺旋体病。 4细菌：皮肤病化脓，上呼吸道感染 ，泌尿道感染，食物中毒，败血压症，急性传染病等。 5立克次氏体：斑疹伤寒等。 6衣原体：沙眼，泌尿生殖道感染。 7病毒：肝炎，乙型脑炎，麻疹，艾滋病等。 8支原体：肺炎，尿路感染。 生物界的微生物达几万种，大多数对人类有益，只有一少部份能致病。有些微生物通常不致病，在特定环境下能引起感染称条件致病菌。 能引起食品变质，腐败，正因为它们分解自然界的物体，才能完成大自然的物质循环。 有些人误将真菌当作细菌，是一种比较普遍的误解。尤其以80年代以前未受过系统生物学教育者。 微生物对人类最重要的影响之一是导致传染病的流行。在人类疾病中有50％是由病毒引起。世界卫生组织公布资料显示：传染病的发病率和病死率在所有疾病中占据第一位。微生物导致人类疾病的历史，也就是人类与之不断斗争的历史。在疾病的预防和治疗方面，人类取得了长足的进展，但是新现和再现的微生物感染还是不断发生，像大量的病毒性疾病一直缺乏有效的治疗药物。一些疾病的致病机制并不清楚。大量的广谱抗生素的滥用造成了强大的选择压力，使许多菌株发生变异，导致耐药性的产生，人类健康受到新的威胁。一些分节段的病毒之间可以通过重组或重配发生变异，最典型的例子就是流行性感冒病毒。每次流感大流行流感病毒都与前次导致感染的株型发生了变异，这种快速的变异给疫苗的设计和治疗造成了很大的障碍。而耐药性结核杆菌的出现使原本已近控制住的结核感染又在世界范围内猖獗起来。 微生物千姿百态，有些是腐败性的，即引起食品气味和组织结构发生不良变化。当然有些微生物是有益的，它们可用来生产如奶酪，面包，泡菜，啤酒和葡萄酒。微生物非常小，必须通过显微镜放大约1000 倍才能看到。比如中等大小的细菌，1000个叠加在一起只有句号那么大。想像一下一滴牛奶，每毫升腐败的牛奶中约有5千万个细菌，或者讲每夸脱牛奶中细菌总数约为50亿。也就是一滴牛奶中可有含有50 亿个细菌。 微生物能够致病，能够造成食品、布匹、皮革等发霉腐烂，但微生物也有有益的一面。最早是弗莱明从青霉菌抑制其它细菌的生长中发现了青霉素，这对医药界来讲是一个划时代的发现。后来大量的抗生素从放线菌等的代谢产物中筛选出来。抗生素的使用在第二次世界大战中挽救了无数人的生命。一些微生物被广泛应用于工业发酵，生产乙醇、食品及各种酶制剂等；一部分微生物能够降解塑料、处理废水废气等等，并且可再生资源的潜力极大，称为环保微生物；还有一些能在极端环境中生存的微生物，例如：高温、低温、高盐、高碱以及高辐射等普通生命体不能生存的环境，依然存在着一部分微生物等等。看上去，我们发现的微生物已经很多，但实际上由于培养方式等技术手段的限制，人类现今发现的微生物还只占自然界中存在的微生物的很少一部分。 微生物间的相互作用机制也相当奥秘。例如健康人肠道中即有大量细菌存在，称正常菌群，其中包含的细菌种类高达上百种。在肠道环境中这些细菌相互依存，互惠共生。食物、有毒物质甚至药物的分解与吸收，菌群在这些过程中发挥的作用，以及细菌之间的相互作用机制还不明了。一旦菌群失调，就会引起腹泻。 随着医学研究进入分子水平，人们对基因、遗传物质等专业术语也日渐熟悉。人们认识到，是遗传信息决定了生物体具有的生命特征，包括外部形态以及从事的生命活动等等，而生物体的基因组正是这些遗传信息的携带者。因此阐明生物体基因组携带的遗传信息，将大大有助于揭示生命的起源和奥秘。在分子水平上研究微生物病原体的变异规律、毒力和致病性，对于传统微生物学来说是一场革命。 以人类基因组计划为代表的生物体基因组研究成为整个生命科学研究的前沿，而微生物基因组研究又是其中的重要分支。世界权威性杂志《科学》曾将微生物基因组研究评为世界重大科学进展之一。通过基因组研究揭示微生物的遗传机制，发现重要的功能基因并在此基础上发展疫苗，开发新型抗病毒、抗细菌、真菌药物，将对有效地控制新老传染病的流行，促进医疗健康事业的迅速发展和壮大! 从分子水平上对微生物进行基因组研究为探索微生物个体以及群体间作用的奥秘提供了新的线索和思路。为了充分开发微生物（特别是细菌）资源，1994年美国发起了微生物基因组研究计划（MGP）。通过研究完整的基因组信息开发和利用微生物重要的功能基因，不仅能够加深对微生物的致病机制、重要代谢和调控机制的认识，更能在此基础上发展一系列与我们的生活密切相关的基因工程产品，包括：接种用的疫苗、治疗用的新药、诊断试剂和应用于工农业生产的各种酶制剂等等。通过基因工程方法的改造，促进新型菌株的构建和传统菌株的改造，全面促进微生物工业时代的来临。 工业微生物涉及食品、制药、冶金、采矿、石油、皮革、轻化工等多种行业。通过微生物发酵途径生产抗生素、丁醇、维生素C以及一些风味食品的制备等；某些特殊微生物酶参与皮革脱毛、冶金、采油采矿等生产过程，甚至直接作为洗衣粉等的添加剂；另外还有一些微生物的代谢产物可以作为天然的微生物杀虫剂广泛应用于农业生产。通过对枯草芽孢杆菌的基因组研究，发现了一系列与抗生素及重要工业用酶的产生相关的基因。乳酸杆菌作为一种重要的微生态调节剂参与食品发酵过程，对其进行的基因组学研究将有利于找到关键的功能基因，然后对菌株加以改造，使其更适于工业化的生产过程。国内维生素C两步发酵法生产过程中的关键菌株氧化葡萄糖酸杆菌的基因组研究，将在基因组测序完成的前提下找到与维生素C生产相关的重要代谢功能基因，经基因工程改造，实现新的工程菌株的构建，简化生产步骤，降低生产成本，继而实现经济效益的大幅度提升。对工业微生物开展的基因组研究，不断发现新的特殊酶基因及重要代谢过程和代谢产物生成相关的功能基因，并将其应用于生产以及传统工业、工艺的改造，同时推动现代生物技术的迅速发展。 农业微生物基因组研究认清致病机制发展控制病害的新对策 据资料统计，全球每年因病害导致的农作物减产可高达20％，其中植物的细菌性病害最为严重。除了培植在遗传上对病害有抗性的品种以及加强园艺管理外，似乎没有更好的病害防治策略。因此积极开展某些植物致病微生物的基因组研究，认清其致病机制并由此发展控制病害的新对策显得十分紧迫。 经济作物柑橘的致病菌是国际上第一个发表了全序列的植物致病微生物。还有一些在分类学、生理学和经济价值上非常重要的农业微生物，例如：胡萝卜欧文氏菌、植物致病性假单胞菌以及我国正在开展的黄单胞菌的研究等正在进行之中。日前植物固氮根瘤菌的全序列也刚刚测定完成。借鉴已经较为成熟的从人类病原微生物的基因组学信息筛选治疗性药物的方案，可以尝试性地应用到植物病原体上。特别像柑橘的致病菌这种需要昆虫媒介才能完成生活周期的种类，除了杀虫剂能阻断其生活周期以外，只能通过遗传学研究找到毒力相关因子，寻找抗性靶位以发展更有效的控制对策。固氮菌全部遗传信息的解析对于开发利用其固氮关键基因提高农作物的产量和质量也具有重要的意义。 环境保护微生物基因组研究找到关键基因降解不同污染物 在全面推进经济发展的同时，滥用资源、破坏环境的现象也日益严重。面对全球环境的一再恶化，提倡环保成为全世界人民的共同呼声。而生物除污在环境污染治理中潜力巨大，微生物参与治理则是生物除污的主流。微生物可降解塑料、甲苯等有机物；还能处理工业废水中的磷酸盐、含硫废气以及土壤的改良等。微生物能够分解纤维素等物质，并促进资源的再生利用。对这些微生物开展的基因组研究，在深入了解特殊代谢过程的遗传背景的前提下，有选择性的加以利用，例如找到不同污染物降解的关键基因，将其在某一菌株中组合，构建高效能的基因工程菌株，一菌多用，可同时降解不同的环境污染物质，极大发挥其改善环境、排除污染的潜力。美国基因组研究所结合生物芯片方法对微生物进行了特殊条件下的表达谱的研究，以期找到其降解有机物的关键基因，为开发及利用确定目标。 极端环境微生物基因组研究深入认识生命本质应用潜力极大 在极端环境下能够生长的微生物称为极端微生物，又称嗜极菌。嗜极菌对极端环境具有很强的适应性，极端微生物基因组的研究有助于从分子水平研究极限条件下微生物的适应性，加深对生命本质的认识。 有一种嗜极菌，它能够暴露于数千倍强度的辐射下仍能存活，而人类一个剂量强度就会死亡。该细菌的染色体在接受几百万拉德a射线后粉碎为数百个片段，但能在一天内将其恢复。研究其DNA修复机制对于发展在辐射污染区进行环境的生物治理非常有意义。开发利用嗜极菌的极限特性可以突破当前生物技术领域中的一些局限，建立新的技术手段，使环境、能源、农业、健康、轻化工等领域的生物技术能力发生革命。来自极端微生物的极端酶，可在极端环境下行使功能，将极大地拓展酶的应用空间，是建立高效率、低成本生物技术加工过程的基础，例如PCR技术中的TagDNA聚合酶、洗涤剂中的碱性酶等都具有代表意义。极端微生物的研究与应用将是取得现代生物技术优势的重要途径，其在新酶、新药开发及环境整治方面应用潜力极大。 微生物在整个生命世界中的地位! 当人类在发现和研究微生物之前，把一切生物分成截然不同的两大界－动物界和植物界。随着人们对微生物认识的逐步深化，从两界系统经历过三界系统、四界系统、五界系统甚至六界系统，直到70年代后期，美国人Woese等发现了地球上的第三生命形式－古菌，才导致了生命三域学说的诞生。该学说认为生命是由古菌域（Archaea）、细菌域（Bacteria）和真核生物域（Eucarya）所构成。在图示“生物的系统进化树”中，左侧的黄色分枝是细菌域；中间的褐色和紫色分枝是古菌域；右侧的绿色分枝是真核生物域。 古菌域包括嗜泉古菌界（Crenarchaeota）、广域古菌界（Euryarchaeota）和初生古菌界（Korarchaeota）；细菌域包括细菌、放线菌、蓝细菌和各种除古菌以外的其它原核生物；真核生物域包括真菌、原生生物、动物和植物。除动物和植物以外，其它绝大多数生物都属微生物范畴。由此可见，微生物在生物界级分类中占有特殊重要的地位。 生命进化一直是人们关注的热点。Brown等依据平行同源基因构建的“Cenancestor”生命进化树，认为生命的共同祖先Cenancestor是一个原生物。原生物在进化过程中产生两个分支，一个是原核生物（细菌和古菌），一个是原真核生物，在之后的进化过程中细菌和古菌首先向不同的方向进化，然后原真核生物经吞食一个古菌，并由古菌的DNA取代寄主的RNA基因组而产生真核生物。 从进化的角度，微生物是一切生物的老前辈。如果把地球的年龄比喻为一年的话，则微生物约在3月20日诞生，而人类约在12月31日下午7时许出现在地球上。赞同92| 评论

秋海棠属（ Begonia ）是世界上物种多样性最为丰富的类群之一，是全球维管植物物种数量排名前十的大属，种类超过2,000种。近日，由 深圳市仙湖植物园与深圳华大生命科学研究院 牵头完成秋海棠属植物基因组研究，在植物学领域国际权威刊物《新植物学家》（ New Phytologist ）（IF=）发表题为“ Genomes shed light on the evolution of Begonia, a mega-diverse genus ”的研究成果。 此项研究的测序及组装数据已存储于国家基因库生命大数据平台（CNGBdb），项目编号为： CNP0001056  。 秋海棠属植物主要分布于热带及亚热带地区，多数种类生活在阴湿的环境，属于典型的阴生植物。此外，秋海棠属植物叶型、叶斑变化多样，花色丰富，兼观叶与观花于一身，观赏价值极高， 是现今最具应用价值的园艺观赏花卉之一。 研究团队完成桑寄生状秋海棠（ Begonia loranthoides ）、铁十字秋海棠（ Begonia masoniana ）、黑武士秋海棠（ Begonia darthvaderiana ）、和盾叶秋海棠（ Begonia peltatifolia ）4种秋海棠属植物全基因组组装，并完成了74个全球代表性的种类的浅层基因组测序。组装结果显示，4个物种基因组大小介于331 Mb ~ 799 Mb，基因数量介于22,059~23,444之间，BUSCO评估均达到91%以上， 高质量的基因组组装为秋海棠属植物功能基因组学研究以及分子育种培育新优品种提供重要的参考。 该研究还发现，秋海棠属祖先在大约三千五百万年前（35 MYA）经历了一次特有的全基因组加倍事件（WGD），该事件对秋海棠属植物多样性演化和耐阴适应性具有重要贡献。WGD发生后，很多与光合作用及能量代谢相关的基因得以保留与富集，并且发现与红光、蓝光及紫外光接收有关的受体基因（PHOT、CYR1/2、PHY及UVR8）均保留了多个拷贝，且部分已经发生了的功能分化，这对秋海棠属植物适应阴生环境、提高光合利用率具有重要意义。研究发现转座子（TE）在秋海棠属植物基因组中占有很大比例，且种间特异性较高；不同种之间活跃的TE的类型与数量均存在明显的差异。TE在功能基因启动子及内含子等不同位置插入的模式及数量在不同物种间存在明显的差异，且偏向插入到一些与胁迫反应相关的基因，揭示了TE与秋海棠物种的形成及适应性关系十分密切。此外，杂交与基因渐渗对秋海棠属植物多样化形成具有相当贡献度，尤其在美洲分布的类群，祖先可能发生了多次杂交事件。 该研究成果为揭示秋海棠属植物多样性形成及适应性进化提供了新的见解，并为秋海棠属植物后基因组学研究提供了重要的参考。 仙湖植物园植物研究中心李凌飞博士、董珊珊博士、李娜以及华大生命科学研究院陈晓丽博士、方东明副研究员、郭兴博士为论文共同第一作者。另外，爱丁堡皇家植物园、西双版纳植物园、南宁植物园、上海辰山植物园、新加波植物园、中国科学院植物研究所、昆明植物园、福建农林大学、南京农业大学、华南农业大学、广东省农科院、佛罗里达大学、比利时根特大学等国内外多个科研院校合作者参与该研究。华大生命科学研究院刘欢研究员和仙湖植物园张寿洲研究员为共同通讯作者。相关工作得到了国家重点研发计划项目、深圳市城管局科研项目等资金的支持。参考文献：