微生物組學研究范文

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篇1

關鍵詞:宏基因組;不可培養微生物;篩選系統

中圖分類號:Q75 文獻標識碼:A 文章編號:1674-0432(2010)-06-0044-3

0 引言

Woese和Pace基于16S rRNA或DNA基因序列分析的先鋒研究工作給微生物生態學領域帶來了革命性的變化。在此之前,人們完全沒有意識到真實存在于自然界和在實驗室能培養的微生物數量之間重大的差別。伴隨著克隆和測序技術的發展,細菌通用引物對環境中生物群落總DNA的直接PCR擴增,產生了大量的數據并重新定義了原核生物的多樣性。近年來一些學者對微生態學和宏基因組進行了研究。以下是近幾年報道的關于不可培養的大多數微生物的新的見解和技術。

1 宏基因組的研究

1.1 DNA的分離

環境樣品DNA的質量直接關系到宏基因組分析的質量。Tiedjie等發展了從不同類型的土壤中直接分離DNA 的方法,但是這些方法仍然不能確定在所有的具有代表性的高度復雜的生物群落中能夠獲取全部的總DNA。盡管Coutois等人發現,從土壤中直接提取DNA和先從土壤分離細胞再從中提取DNA所得到的細菌多樣性范圍并無重大差別,但是Luna等人證實,在檢測海水沉淀物時,只用單一的DNA提取方法嚴重低估了細菌多樣性。不同的方法適用不同的環境。比如,Fortin等人發現,在細胞裂解前沖洗被碳氫化合物和重金屬嚴重污染的土壤和海水沉淀能改善DNA的質量。

選擇一種DNA提取方法用于宏基因組分析需要分析樣品的信息。在預測一個生態環境中不同的微生物群落成員的潛在功能的時候,分辨DNA來自樣品來自可培養的微生物還是來自死細胞是很有價值的。Nocker和Camper表明,用ethidium monoazide(EMA)的衍生物分析成熟的生物膜16S rRNA基因指紋圖譜,提取處理過的樣品和未經處理的樣品的DNA有重大的區別。對環境中的活體,很有必要區分DNA來自胞內還是胞外。水沉淀中包含了大量來自胞外的DNA,Corinaldesi等人改進了一種允許同時提取胞內和胞外DNA的方法,這些DNA可能對細菌的新陳代謝起著重要的作用。

1.2 系統發生和宏基因組的分析

DNA提取方法的改進、測序手段的進步和測序成本的降低使我們能夠解決以下問題:在一個群落中不連續的單元里共生多少種類的細菌以及環境中是什么因素影響著群落的組成和多樣性。Acinas等運用不同的PCR擴增方案建立了兩個獨立的沿海浮游生物的16S rRNA文庫。這兩個文庫的比較表明了PCR擴增可能會高估文庫中獨特的rRNA序列。盡管如此,PCR的誤差仍然不能說明樣品中的所有16S rRNA基因的微小差異(1%的序列差異)。97種已完全測序細菌全基因組比較表明,它們包含242種屬于非同源多操縱子的不同16S rRNA基因。序列分析還表明任何基因組中的16S rRNA內部操縱子的差異在1%以內。引入一個修正參數2.5(242個rRNA操縱子和97個基因組相除)到浮游生物樣品待測序的序列中,以99%的相似性(1113)為標準,Acinas等預測這些樣品中至少包含了446種緊密相關的基因組。因此這些數據間接的表明了這個種群內部包含有大量相似的種類?；蛐蛄幸查_始用于推斷一個群落中各個體的角色和功能,這比僅確定群落中的種類更有意義和更具挑戰。

在低度多樣性環境中,普通的測序就能得到環境中的微生物信息。比如在一個種群細菌復雜程度不高的酸性礦井排水裝置中的生物膜中,可以對單個菌株的代謝途徑進行分析。在Tyson等人的研究中,細菌種群只由五種主要的種類組成,而且其中兩種幾乎存在所有的覆蓋面積內。而許多自然環境中種群結構高度復雜,不能采用現在的方法。據估計在一份農場土壤樣品中有超過5000種,104-105株的細菌。要得到這些復雜環境中占有最優勢地位的細菌種類的八倍的覆蓋量,必須產生二十億到五十億個堿基對的序列。為了避免對全基因組集合,Tringe等大量使用未集合的序列來讀取一定時期內環境中標記基因?；蚨堪▽μ囟ㄉ鷳B環境能反映已知環境特點的環境樣品的分析。以基因比較為中心對特定環境中基因定位給我們更好地認識和解釋環境帶來了新的機遇,也提出了新的問題。

處理復雜環境的另一條途徑是將許多種類混合的16S rRNA基因克隆到單一的載體里面。其中,SARST(serial analysis of ribosomal sequence tags)發現了V1或V6高變區。這些位于核糖體小亞基rRNA上的高變區(叫做V1或V6區)長度大約為17-55bp,這些復雜的生物體中的片斷可以連接到單個的克隆里面去。用這種方法,單個測序反映能達到的序列標記可達20個。這種方法可以鑒定菌群可達到屬的水平。van der Lelie等人報道了一種改變的序列標記方法,用于基因組中短的保守序列,結合限制性內切酶消化產生標記,可以區分親緣關系很近的菌株。一些細菌的保守基因已經鑒定出來,包括rpoC,uvrB, recA 和16S rRNA 基因。在這些基因中,16S rRNA是差別最大而且可以應用于所有的原核生物種類分析的基因,可以達到屬的水平,很大一部分還可以分辯到種的水平。

近年來,以16S rRNA基因為基礎的微生物分類陣列已經成為鑒定微生物區系的最有力的方法。這種微生物分類陣列由大量不同門類的細菌的標記探針組成。不同原型的陣列已經發展并開始用于估計環境種群中微生物的多樣性。這種以16S rRNA基因為基礎的微生物分類陣列將成為監測各種復雜環境中微生物多樣性的一個最重要的工具。

復雜環境中微生物區系指紋圖譜和宏基因組分析將來可能發展為基因芯片。一個完全的綜合芯片到目前為止仍然是一個對未來的展望。Hong等人描述了一種基因芯片的概念,這種芯片通過分離不同種類和數量的細菌或哺乳動物的細胞并裂解提純DNA或者mRNA來實現?；蛐酒难芯繉ξ覀冋J識和監測一定的微生態環境中微生物種群結構的認有著非常重要的意義。

直到今天,宏基因組的研究還只在生物量相對較高的環境中進行。在對細胞、量很少的環境進行宏基因組的分析還需要一種新的文庫構建方法。Abulencia等描述了一種多態性擴增嚴重污染的土壤中有機體基因組的方法。從嚴重污染和細胞密度極低的地表下土壤樣品中提取DNA,￠29DNA聚合酶用于擴增總基因組。通過第一次基因組DNA的擴增,污染的土壤中細菌多樣性分析,和細菌基因組文庫構建是可能的。盡管存在擴增的偏好現象,在一個微小的細菌樣品中擴增宏基因組DNA,仍然可以得到一些以前無法得到的基因組的信息。

1.3 篩選宏基因組表達文庫

另外一種方法是通過構建和篩選宏基因組表達文庫,或者通過測序和限制性內切酶的方法來篩選。直接篩選宏基因組文庫的一種局限就是需要超高通量的篩選系統,或者大量的可用的篩選的陣列?？梢酝ㄟ^富集基因的方法來篩選由數百萬個基因組成的宏基因組文庫中的稀有基因。其中一種富集的方法是底物誘導表達篩選(substrate-induced gene expression screen,SIGEX)。Uchiyama等完善了一種高通量的SIGEX篩選方法,他們將目的基因和綠色熒光蛋白(GFP)連接起來,轉到表達載體內,通過檢測激發的熒光來檢測相應的克隆。宏基因組DNA被克隆到gfp基因序列的上游后,通過FACS方法來排除所構建文庫中組成型表達gfp的克隆。再將未表達gfp的克隆轉移到含有靶標底物的培養基中,通過誘導gfp基因表達來篩選克隆子。這種篩選體系的機理是:分解代謝相關的基因能夠在特定代謝物的作用下被誘導表達。

1.4 通過培養方法獲取不可被培養的大多數微生物

要大量精確測序復雜環境中的微生物DNA樣品,不是一件很容易的事情,這也說明了全面的獲取微生物信息的方法的重要性,可以通過這些信息來理解微生物間及微生物與環境間的相互作用。盡管“環境基因組”能夠提供大量的信息,但對生理學,生態學和進化學有重要影響的分類單元中可培養微生物單菌落的會給生態小環境的研究帶來深遠影響。Proteorhodpsin的發現及它的編碼基因存在于Pelagibacter ubique證明了獲取可培養單菌落的作用。Proteorhodpsin編碼基因是在海水和環境微生物宏基因組的克隆測序過程工程中第一次被發現的,但是我們不能確定不可培養的微生物基因組中包含Proteorhodpsin基因。通過培養Pelagibacter ubique,我們就有可能將Proteorhodpsin與固定的種類聯系起來。

許多研究者們正在努力研究與模擬專一的可培養的微生物,并且利用將這些微生物來研究它們環境中所處的地位和發揮的作用?；蚪M測序已經為我們提供了大量的信息并了解這些微生物在環境中的作用。

經典的微生物培養策略都是一貫地給微生物系統提供過量的營養,從而導致能形成菌落或薄膜的和快速生長的細菌富集。對于依賴稀釋培養基或模擬自然環境培養基才能生長的細菌,Ferrari等人描述了一種模擬自然環境條件的用于培養土壤微生物的新穎方法。他們研究組所采用的泥漿膜系統中,一種聚碳酸酯是作為生長培養支持物,土壤提取物作為培養基。研究結果是長出了大量的未被鑒定的微型菌落。Koepke等人將多種不同的培養方法應用到沿海地表下的沉積物,研究發現多數情況下沒有一組微生物能夠在幾種培養方法中都被培養出來。他們的研究肯定了這個觀點:沒有一種單一的培養方法或者培養基適用于分離專一樣本中的多種多樣的微生物。同時采用低營養條件富集和分子方法,在冰島富含中性硫化物的熱溫泉中得到了具有一種高度差異型的淀粉酶基因。使用熱溫泉水的微生物富集方法采用低濃度淀粉和長時間溫育,最后選育出能夠降解淀粉但生長緩慢的微生物。

在培養之前,將樣品中的多種特定的微生物選擇性地分離出來可以降低微生物群落的復雜性。Miteva和Brenchley的過濾培養,結合長時間溫育,使一些新穎而極小的細胞菌落得到富集。這種方法對于研究極端條件下的微生物的代謝特性及長時間存活機制是很有益的。

2 結語

要得到不可培養的大多數微生物的信息,還有很漫長的路要走。在不久的將來,使用更便宜更快捷的測序方法,環境工程測序技術將會產生更加多樣的數據和信息。然而,測序并非我們認識環境微生物的唯一方法。我們需要一種新技術,它能夠針對直接分析和估量環境和培養條件下的微生物細胞,并且盡可能地和自然界真實的狀況接近。對于單個微生物細胞進行完全的特征分析也是一項很有意義的工作。雖然在當今的條件下還沒能實現,但是關于單細胞微生物學已是一個很明顯的趨勢,能讓我們解決更多懸而未決未的環境微生物的問題?？傊?在工程學,生物地球化學,生物化學,生物信息學,生理學和生態學等多種學科快速發展的基礎上,宏基因組學的研究將會使我們進一步加強對于環境對微生物多樣性分析的理解和對微生物環境功能的認識。

參考文獻

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篇2

關鍵詞： 維吾爾族預科生 英語教學 語言遷移

1.引言

少數民族預科教育是高等教育的一個特殊層次，也是高等教育的重要組成部分。在預科學習階段，英語是預科學生的必修課，大多數學生沒有英語基礎，需要在兩年時間內使他們具備相當于大學英語二級水平的詞匯、語法等基礎知識，為進入本科階段大學英語的學習打好基礎。新疆少數民族預科生主要包括維吾爾族、哈薩克族、柯爾克孜族、烏茲別克族等多個少數民族，其中維吾爾族學生占大多數。我以維吾爾族預科生為主要研究對象，結合多年預科漢語、英語教學的經驗，從少數民族學生實際出發，以語言遷移理論為研究路線，著重考查母語和漢語的語言遷移對三語習得的影響，以豐富第三語言習得理論，為我國少數民族預科英語教學提供參考。

2.遷移理論概述

語言遷移是一個復雜的語言學和心理學現象，它是指在外語學習過程中學習者由于不熟悉目的語的語法規則而自覺或不自覺地運用母語的規則處理目的語信息的現象。語言遷移有兩種：正遷移（positive transfer）和負遷移（negative transfer），亦稱為干擾（interference）。實際調查證明，初級階段的學生比中級階段的學生在外語學習過程中較多地依賴于語言遷移。當母語的某些特征同目的語相似或完全一致時，往往出現正遷移；當母語與目的語的某些特點相悖時，學習者若借助母語的一些規則作為拐棍，則會產生負遷移現象。正遷移有利于外語學習，負遷移則阻礙外語學習。

維吾爾族預科生（以下簡稱預科生）在外語學習時，與漢族學生相比差異明顯，預科生的特殊性在于大多數學生都是在掌握了母語及漢語之后才開始學習英語的，因此英語學習對于他們來說是雙語情境下的三語習得過程。預科生在學習英語時受到母語影響，還有來自作為第二語言的漢語的影響，以及作為目標語的英語的相互影響。因此，這三者是如何相互發生語言遷移并影響預科學生英語學習進程的是不可避免的重要問題。

第二語言習得研究人們在課堂內或課堂外學母語以外的語言的方式。“第二”不是語言習得順序上的第二，而是指母語之后。因此，“第二語言”指在母語之后已經習得或正在習得的所有非母語語言。三語習得主要分析至少兩種非第一語言間的影響及其對習得目的語的影響。Cenoz等學者認為此觀點也可用來區分二語習得和三語習得。第二語言學習者有兩個潛在的相互影響的系統（L1?圮L2），而二語習得主要集中于母語遷移，忽略了另一個可能的遷移方向：二語遷移。三語習得考慮了另外兩個雙向關系。

（1）L3影響L1并被L1影響（L1?圮L3）；

（2）L2與L3也存在跨語言影響（L2?圮L3）。

語際語遷移是三語習得的另一個區別性特征。Cenoz指出二語習得與三語習得的主要不同點在于以下方面。

（1）語言習得順序；

（2）社會語言學因素；

（3）相關的心理語言學過程。

引起跨語言影響的因素很多。其制約因素有：語言類型、學習者主觀意識的語言距離（心理語言類型）、語言接觸的時間長短、學習者的年齡和語言熟練程度、語言地位、年齡、語言學習的順序等。Ringbom在進行了一系列三語習得的研究后認為：詞語在詞條類似的語言之間的借用十分頻繁。William等人做的關于一語（英語）和二語（德語）在三語（瑞典語）學習中的作用，他們發現一語和二語在三語習得中的作用不盡相同，一語起的是糾錯作用，二語起的是工具作用，但日后這兩種作用都會被三語所取代。

3.語言遷移對維吾爾族預科生將英語作為第三語言學習的影響

3.1在語音層面的語言遷移

從語言譜系上看，維、漢、英三種語言屬于不同的三個語系。維語屬于阿爾泰語系，漢語屬于漢藏語系，是一種表意文字，屬于孤立語，沒有詞形變化，依靠詞序和虛詞表達語法關系。英語則屬于印歐語系，是一種拼音文字，是一種屈折語，用豐富的詞形變化表示語法關系。在對維吾爾族學生進行英語教學時，如果能通過對英、漢、維語的相似之處尤其是語音方面的相似之處進行對比研究，那么將有利于“正遷移”作用的發揮，進而將對學生的英語教學起到積極的促進作用，能夠增強學生的學習積極性。

在維吾爾語詞匯中有相當一部分借詞是以音譯的形式借入的，主要以名詞為主，尤其是自然科學、工程等領域的詞匯非常典型，例如system，plan，statistic，physics，engineer，doctor，computer，democracy，等等，這些詞匯與維吾爾語中對應的詞匯的發音和拼寫非常相似。這些單詞在語音和詞義方面為預科生提供了很大的正遷移。然而同樣的因素隨著語音學習的深入有可能會為他們帶來負遷移，由于維吾爾語中字母和音素是一致的，只要學會了字母和讀音，就可以進行拼寫和閱讀，而英語字母與音素不是所有都一致，單詞的拼寫有一定的規則或無規則可循，同一個字母在同一個單詞中發不同的音。

在初學階段，預科生容易混淆單詞的拼寫和音標，還會套用母語的方法直接拼寫單詞。例如，學生會把英語單詞中的元音寫成漢語的元音。預科生還容易在拼讀和拼寫英語單詞時混淆擦輔音［s］，［z］，［?夼］，［?奩］。如學生將thought，that，these等含有摩擦音的詞誤拼為sought，zat，zese，在拼讀這些單詞時也很自然地讀成［s］，［z］。這類錯誤出現的主要原因是維語中沒有齒間音［?夼］，［?奩］而有和摩擦音［s］、［z］發音相似的音。由此可見，產生這種錯誤的原因是受維吾爾母語負遷移的影響。

此外，預科生常按維吾爾語重音發音習慣讀英語單詞，如將football讀成［fut?b?蘅l］，engineer讀成［?end?廾?藜nir］等，這是因為維吾爾語雖然沒有聲調，但也有重音。維吾爾語中的雙音節，多音節詞的重音大多在最后一個音節上，這是大多數預科生在初學時發音掌握不好的原因。這些因素導致的語言負遷移在一定程度上會影響預科生在初學語音時的積極性并影響以后的學習進程。

3.2詞匯層面上語言遷移

在維吾爾語中有一些與英語基本對等的詞。在兩種語言中，這些詞在語音形式和表示的詞匯意義上相近或對等。這類詞主要是一些已有通用的術語、名詞，如：machine，engineer，professor，visa，coffee，computer，等等，上述詞大多是維吾爾語中的借詞，其詞義相同，發音也基本相同。因此，對維吾爾族學生來說，這一類詞匯比較容易掌握。如果教師在英語詞匯教學中有目的地將兩種語言中的基本對應詞加以對比，其教學效果就是明顯的。作為第二語言的習得者，學生在學習時往往會將當前的二語習得任務與以前掌握的母語詞語進行比較。從語言教學的角度來看，兩種語言的共性對學生的學習、記憶英語的單詞會產生的影響是積極的，具有正遷移的作用，但同時可能會造成一定的負遷移，因為詞義和讀音的相似會讓一些學生忽略其拼寫上的差異。如對machine一詞，基本上維吾爾族學生都會準確清楚地讀出這一單詞，但是拼寫的時候大多數會將其寫成mashine。這也是由于維吾爾語音和拼寫一致造成的，而這種特性會對英語語音及詞匯拼寫層面產生負遷移，從而表現出語音的準確性與其書寫方面的書寫不太一致。

英語人稱代詞和其他代詞分門別類，不同的代詞指代不同且要求接不同的謂語，使用有其嚴格的規定。例如：

My brother is a doctor.He works in the People’s Hospita1．

這句話中部分預科生會把he寫成she：

My brother is a doctor.She works in the People’s Hospita1.

這是因為在英語中單數第三人稱代詞包括：he，she，it，him，her，使用時有著嚴格的區別，維吾爾語則不同，它的所有第三人稱單數均用同一個詞，這給預科生的英語學習增加了難度，因此，以he或him代替所有單數第三人稱代詞或者he，she，it三者混用這類錯誤在初學階段很常見，由此產生指代偏誤和主謂不一致的錯誤，影響了表達與理解。

3.3語法層面的語言遷移

漢語與英語雖然屬于不同的語系，然而這兩種語言間的基本語序結構一致，即主語+謂語+賓語（SVO）。預科生在學習英語過程中，在母語與英語之間語序不同而產生語言負遷移的情況時，如在通過對比發現漢語語序與英語相似時，就可以根據自己已掌握的漢語知識將因母語造成的負遷移轉化為有益的正遷移。例如：

從基本語序來看，漢語與英語的否定結構比較相似，否定都置于謂語動詞之前，維吾爾語的否定則附加在謂語動詞之后。在英語基本語序上的學習上，漢語起到的正遷移作用相對明顯。此外，英語介詞是學習者難掌握的詞類之一，名詞、形容詞、動詞在具體使用時幾乎都程度不同地要與介詞相搭配，甚至同一個詞搭配不同的介詞表達的意義也不盡相同，這對預科生來說更加困難。因為在維吾爾語中根本沒有介詞這一詞類，英語中介詞的意義在維語中主要是憑借格或者后置詞的形式表達的。所以，預科生在英語學習中經常出現因不會使用介詞而造成介詞遺漏或誤用的語法錯誤。

4.結語

通過對維吾爾族預科生母語和漢語在英語學習中產生的語言遷移現象進行對比分析，可以看出語言遷移在外語學習中發生的作用是不可避免的。在教學中，既要重視母語在英語學習中的遷移作用，又不能忽視第二語言在三語學習中的遷移作用。教師必須分析他們犯錯誤是英語語言本身的困難造成的，還是漢語或維語的干擾造成的。尤其要注意給學生提供英語與漢語和維吾爾語在語音、語法和詞匯三個層面上的同異對比分析， 這對于學生克服漢語和維吾爾語對英語學習的干擾會有很大的幫助。

在少數民族學生初學英語階段，由母語及漢語的影響產生的語言遷移對學生學習英語的興趣和態度起著重要作用。因此，教師應根據少數民族學生的雙語學習背景，從不同方面引導學生正確認識雙語遷移對三語學習的影響。引導學生利用已獲得的雙語知識和經驗，使用對比分析的方法對所學內容不懂之處，用母語、漢語進行比較，對其中相似點加以分析和利用，積極促進正遷移的發生，及時改進教學方法，提高預科英語教學質量。

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篇3

【關鍵詞】生物信息學 宏基因組 高通量測序

宏基因組（Metagenome）是1998年由Handelsman等人正式提出，定義為特定生物環境中全部微生物遺傳物質的總和。宏基因組學通過直接從環境樣品中提取全部微生物的遺傳物質DNA，利用第二代測序技術，得到高通量宏基因組數據，并結合微生物基因組學的研究成果，分析環境樣品所包含的全部微生物的群落組成及其結構功能。高通量宏基因組數據在基礎微生物學、水體、土壤、農業、醫學研究等領域都顯示出了重要價值[1]。

1宏基因組學研究方法

宏基因組學的研究方法主要有：環境樣本的采集、宏基因組DNA的提取，高通量測序、所得序列的比對檢索分析，以及進一步進行微生物物種結構和功能分析。其中，提取DNA要盡可能地提取出樣品中所以微生物的基因且保持基因片段的完整，目前的提取方法主要有直接裂解法和細胞提取法。隨著第二代測序技術的發展，宏基因組數據呈現出序列短小、通量巨大的特點，一方面蘊含更為豐富的環境微生物遺傳物質信息，極大拓展了微生物學研究與應用領域，另一方面也為分析處理帶來前所未有的挑戰。

2宏基因組學的應用

在短短幾年內，高通量宏基因組數據研究已滲透到各個領域，包括基礎微生物學、海洋學、土壤學、醫學等，并在醫藥、替代能源、環境修復、生物技術、農業、生物防御及倫理學等各方面顯示了重要的價值[2]。

2.1基礎微生物學研究

宏基因組為基礎微生物學研究打開了新局面，得以快速準確地探測新基因、發現新物種（如未知病原體等）以及準確認識微生物群落的物種構成及其功能結構。由于自然界中大多數微生物物種及其生物量是未知的，其中大量微生物采樣困難、培養效率低下，這極大限制了傳統微生物學的研究與發展，而高通量宏基因組數據的產生則突破了這一束縛。通過分析高通量宏基因組數據，包括序列比對、De Novo組裝、GO分析等等技術，無需經過提純培養，就能探測新基因、新物種，為微生物環境工程、疾病診斷治療奠定基礎。

2.2海洋學和土壤學研究

海洋和土壤中包含大量微生物，它們與生態環境關系密切。目前通過采用土壤、海水等環境樣品，獲取高通量宏基因組數據，探測其中微生物的組成及功能分布，能夠對導致生態環境變化的因素有更深入的認識。如利用來自海洋石油污染區的微生物高通量宏基因組數據，分析其微生物相對豐度，可以有效探測石油降解細菌及其生態關系網，為污染治理提供新思路。利用來自豆類植物附近土壤測取的宏基因組數據，分析其中固氮菌含量及其關聯因素，有助于設計提高豆類產量種植模式。高通量宏基因組數據為認識復雜的微生物群落構成及其功能提供了可能，且必將在研究生物多樣性和微生物環境工程中發揮重要作用[3]。

2.3醫學研究領域

高通量宏基因組數據在現代醫藥學中扮演著極其重要的角色，一方面通過疾病樣本的宏基因組分析，可以確定病原體或致病基因及其與其他因素之間的關聯，為疾病治療提供可能；另一方面利用宏基因組數據篩選在醫藥業中具有重要應用價值的基因及其產物，促進醫藥發展。如利用取自不同牙周炎病況病人口腔高通量宏基因組數據，分析處理得到各樣本微生物相對豐度數據，比較不同牙周炎病況下的微生物整體分布情況，揭示出牙周炎與口腔微生物群落的生物多樣性和關聯網絡之間有顯著聯系。

3結語

隨著高通量測序技術的迅猛發展，宏基因組分析已經成為探索自然環境中微生物物種和功能組成的重要手段之一，是研究微生物群落的利器。宏基因組分析手段無需經過復雜嚴苛的實驗室培養過程，直接利用第二代高通量測序技術，快速產生成千上萬的自然微生物DNA序列的短讀片。但是高通量宏基因組數據也給研究帶來挑戰。它呈現出序列短小、通量巨大的特點。此外，高通量測序技術的準確率低于傳統測序技術，亟需完善的概率統計模型和有效的算法實現[4]。

在應用前景方面，隨著組合生物合成技術和納米技術迅速發展，可以考慮將宏基因組學技術與之結合，利用納米技術人工合成由宏基因組學的方法探測所得新興基因，促進天然活性產物的開發及挖掘，進一步促進微生物工程的發展。

參考文獻：

[1]許忠能著.生物信息學[M].北京： 清華大學出版社，2009.

[2]賀紀正，張麗梅，沈菊培 等.宏基因組學的研究現狀和發展趨勢[J].環境科學學報，2008，28（2）： 209-218.

篇4

關鍵詞 微生物 高三復習 生物學教學

中圖分類號 G633.91 文獻標志碼 B

1 引言

浙科版高中生物學涉及到動物學、植物學、細胞學、遺傳學、微生物學、分子生物學和生態學等學科的內容，關于微生物的有關內容在教材中的分布則比較分散，導致學生對微生物學內容的學科結構沒有形成完整的認識，缺乏對微生物學知識的完整把握，因此教師很有必要對“微生物學”相關內容進行梳理和整合，幫助學生獲得微生物學的學科結構和知識體系，從而提高復習的針對性和有效性。

2 讓學生通過小組合作，梳理出微生物學內容

教師將學生分成幾個小組，讓學生閱讀教材，找出必修一、必修二和必修三中有關微生物的內容。然后各小組呈現成果，教師將小組總結梳理的結果以表格的形式呈現出來，再由各小組補充完善（表1）。

3 整合內容，確定研究維度

讓學生以小組討論的形式，對表格中涉及到的內容進行維度劃分。要確定研究維度，學生必須對微生物內容進行梳理和提煉，有助于他們統領微生物學的全部內容，同時培養歸納和概括能力。教師在此過程中對學生進行方法指導，讓學生認識到對某一事物的可以沿著“是什么（本體論）”“為什么（認識論）”“怎么樣（方法論）”順序進行認識。

學生以小組為單位呈現討論結果，其他小組進行補充修正，最終得到比較全面的維度劃分（圖1）：（1） 微生物分類及結構；（2） 微生物的代謝；（3） 微生物的增殖；（4） 微生物作為實驗材料；（5） 微生物存在的意義。

3 分類處理，各個擊破

5個研究維度中，微生物分類及結構、微生物的代謝和微生物的增殖3個維度的內容，通過概念圖的形式可以更加清晰的呈現出來。教師先讓學生以小組合作的形式進行討論，總歸納結，然后在黑板上畫出概念圖，由其他小組評價并完善、補充，最終形成比較完善的概念圖。

3.1 微生物分類及結構（圖2）

對于微生物的細胞結構，教師主要引導學生分析酵母菌、真菌、霉菌和藍細菌的結構，從共同點和區別氏個方面分析。學生不難發現，這幾種生物都具有細胞壁，但是細胞壁組成存在差異。教師還可以引導學生聯系植物的細胞壁一起分析。通過比較，學生對微生物的特有結構更加明晰。

3.2 微生物的代謝（圖3）

關于微生物的代謝，教材中對乳酸菌和酵母菌的代謝過程敘述較多，學生能夠將這兩種微生物的呼吸類型遷移到其他微生物，但是對于不含線粒體的原核生物的需氧呼吸場所存在迷惑。教師可以引導學生閱讀課本并做適當解釋，從而使學生明確原核生物需氧呼吸的場所是在質膜。學生對于缺乏葉綠體的藍細菌的光合作用也存在迷惑，教師可以適當拓展：藍細菌含有葉綠素并具有相應的酶，可以幫助藍細菌完成光合作用，其光反應的場所就是其含有光合色素的質膜。通過這樣的拓展和說明可以消除學生的概念漏洞，豐富其知識背景。

3.3 微生物的增殖（圖4）

學生理解“噬菌體侵染細菌的實驗”的關鍵是要理解噬菌體的繁殖過程。因此，教師可以先讓學生回憶，然后播放噬菌體繁殖的動畫的順序，幫助學生明確此過程，并讓學生思考其他病毒是否也是這樣繁殖的，從而引出逆轉錄病毒。學生通過對比不同病毒的繁殖方式，增加對不同病毒各自特點的認識。

對于逆轉錄病毒，教師可以呈現HIV病毒在細胞內的繁殖過程的動畫，以使學生更加直觀地認識到逆轉錄形成的DNA整合到人類DNA上的過程。這樣的基因重組過程可以與肺炎雙球菌的轉化相聯系，教師提供相應的背景材料：S型肺炎雙球菌的DNA一條鏈被水解，另一條進入R型肺炎雙球菌，這條單鏈DNA會與R菌肺炎雙球菌核染色體的同源區隊配對形成一小段雜合DNA區段，R型肺炎雙球菌進行染色體復制，于是雜合區也得到復制，最終R型菌轉化出S型肺炎雙球菌（實為具有莢膜的R型菌）。然后對學生進行一定的說明和解釋。學生對肺炎雙球菌的轉化一直是知其然不知其所以然，這樣的知識缺失對學生思維成長不利。教師通過提供材料的方式，可以讓學生明確肺炎雙球菌這種自然狀態就可以發生基因重組的具體機制，從而幫助學生豐富知識背景，有利于學生更好的理解基因工程，有助于培養學生前后聯系的能力。

概念圖提供了需要關注的主要方面，教師可以引導學生，在此基礎上做進一步的聯系和擴展，形成知識間的更為廣泛聯系，構建起更為復雜的關聯。

3.4 微生物作為實驗材料

首先，教師要求學生找出微生物作為實驗材料的實驗：“噬菌體侵染細菌的實驗”“肺炎雙球菌的轉化實驗”“煙草花葉病毒的感染和重建實驗”“利用大腸桿菌研究DNA復制實驗”“探究培養液中酵母菌種群數量的動態變化”。然后，讓學生結合每一個具體的實驗過程思考并總結：選擇微生物作為實驗材料的優點有哪些？為什么不選擇其他實驗材料呢？教師引導學生從繁殖快、操作方便、成本低等角度，總結出選擇微生物作為實驗材料的優點。

在此基礎上，教師還可以進一步拓展：生物學上還有那些常用實驗材料？教師引導學生整理、總結生物學中常用實驗材料及其對應的實驗。這樣的關聯式延伸可以幫助學生對高中階段的實驗材料形成整體認識，同時使學生認識到實驗材料的選擇對于生物實驗的重要性。

3.5 微生物存在的意義

教師要求學生思考回答微生物存在的意義有哪些，然后提示學生將這些意義進行整理歸類，引導學生從3個角度認識微生物存在的意義：物質循環角度；生物多樣性的角度；對人類的研究價值角度。

通過角度劃分，學生可以更為清晰的明確思考角度，保證知識的整體性認識。

4 反思研究過程

教師引導學生回憶微生物學的整個研究過程，總結如何進行知識的聯系和整合，反思自己的研究過程中得失，并通過小組討論的方式與他人分享。通過這樣的反思，學生重新審視自己經歷過的研究過程，可以獲得更為深刻的認識體驗。

5 結束語

充分發揮學生的主動性和創造性是高三復習應然的價值取向，教師應放手讓學生去體驗自己的學習過程。學科整合式復習可以覆蓋微生物學在高中階段的全部內容，實現了復習的完整性和全面性，并為教師引導學生進行相應知識的拓展提供了更為明確的指向?！罢熄D―拓展”式復習充分調動了學生的積極性、主動性和創造性。在此過程中，學生獲得了關于微生物學的整體概念框架，并對以往存在的迷惑的方面在相應的知識拓展中得到了解決，豐富了學生的知識體系，提升了學生分析、綜合和概括能力。

參考文獻：

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關鍵詞 土壤微生物 分解作用 涂布平板法

中圖分類號 G633.91 文獻標識碼 B

“土壤微生物的分解作用”是人教版高中生物必修內容中的探究實驗之一，旨在讓學生通過宏觀的實驗現象了解微觀的實驗原理，明白微生物在生態系統物質循環中的重要作用。然而由于實驗周期長，實驗現象較不明顯，開展該實驗的學校寥寥無幾。

1 教材分析與實驗條件選擇

在人教版“土壤微生物分解作用”的實驗中，教材提出了2個參考案例。第一個案例，使用落葉為實驗對象，設置滅菌土壤為對照組，對比得出土壤微生物具有分解作用;第二個案例：使用淀粉為實驗對象，通過斐林試劑和碘液的顯色反應，得出土壤微生物具有分解作用。對比發現，第二個案例實驗時間適中，實驗現象較為明顯;同時復習了斐林試劑的使用方法，較適合開展實驗教學。因此，筆者選用第二個案例（土壤微生物對淀粉的分解作用），對“土壤微生物的分解作用”進行實驗研究。

溫度、淀粉糊濃度和反應時間是影響土壤微生物分解作用的主要因素。筆者選取了15°C、20°C、25°C、30°C和室溫等5個溫度，2%、4%、6%和8%等4個淀粉糊濃度以及5 d、7 d和9 d等3個反應時間，探究它們對土壤微生物分解作用的影響。

特定土壤的pH是確定值，而pH的變化會影響土壤微生物的分解作用。在確定適宜的溫度、淀粉糊濃度和反應時間之后，以pH為變量，繼續探究pH對土壤微生物分解作用的影響。

為了使實驗結果更具科學性，需要設置對照組。筆者在教材的基礎上增加了滅菌土壤浸出液作為第二對照組，排除了土壤浸出液中其他非生物因素的干擾，增加了實驗的嚴謹性。

在教學研究中，有學者使用不同種類的土壤進行實驗，以確定哪種土壤微生物的分解能力最強。土壤微生物分解能力的強弱，主要受微生物種類和數量的影響。因此，為了揭示土壤微生物數量對分解作用的影響，筆者根據《微生物實驗》的相關內容，采用涂布平板法，對實驗的土壤微生物進行計數，初步確定土壤微生物的分解能力。

綜上所述，“土壤微生物的分解作用”實驗可劃分為三個小實驗，分別是：（1） 土壤微生物對淀粉分解作用實驗;（2） pH對土壤微生物分解作用的影響實驗;（3） 土壤微生物計數實驗。其中第一個小實驗為主實驗，第二、第三個小實驗為擴展實驗。

2 實驗設計

2.1 實驗器材

實驗器具：小燒杯、試管、三角瓶、玻璃棒、pH計、恒溫光照培養箱、牛皮紙、紗布。

材料和試劑：土壤、淀粉、斐林試劑、碘液、牛肉膏、蛋白胨、瓊脂、NaCl、稀HCl、稀NaOH、無菌水。

2.2 實驗步驟

2.2.1 土壤微生物對淀粉的分解作用

（1） 土壤浸出液的制備：按照課本介紹的方法制備。

（2） 淀粉糊的制作：分別稱取10 g、20 g、30 g和40 g淀粉，溶于500 mL開水中，充分攪拌，制成糊狀，得到濃度分別為2%、4%、6%和8%的淀粉糊。

（3） 滅菌：將蒸餾水、部分土壤浸出液、各濃度淀粉糊、實驗所用的燒杯和試管等器皿放入滅菌鍋中滅菌。

（4） 加樣培養：按照課本介紹的方法，在無菌環境中操作加樣，并將實驗溶液分別放入15°C、20°C、25°C和30°C的培養箱及室溫中培養

（5） 顯色反應：按照課本介紹的方法取出實驗溶液進行顯色反應。

2.2.2 pH對土壤微生物分解作用的影響

（1） 土壤浸出液pH的測定和調節：使用北京哈納HI8424NEW型pH計測出土壤浸出液的原始pH值為8.12;使用稀HCl和稀NaOH溶液，將土壤浸出液的pH上下各調節1.5和3.0個pH單位，選擇5.12、6.62、8.12、9.62和11.12等5個pH作為實驗pH。

（2） 制作淀粉糊、滅菌、加樣、培養與顯色反應操作同2.2.1。

2.2.3 土壤微生物的計數（涂布平板法）

計數實驗包括配制細菌培養基、倒平板、制備土壤稀釋液、涂布和培養等五個步驟，具體操作同《微生物實驗》教材。

3 實驗結果

3.1 土壤微生物對淀粉的分解作用

實驗結果表明，土壤微生物對淀粉的分解作用與溫度、淀粉糊濃度和分解作用的時間有關。30°C下，土壤微生物的分解作用最強烈，室溫（25°C～30°C）下次之，25°C、20°C和15°C下的分解作用依次減弱。土壤微生物對4%淀粉糊的分解作用最強，其次是2%、6%和8%。隨著時間的推移，土壤微生物對淀粉的分解作用逐漸增強;培養的第5 d，已有顯色現象;第7 d顯色現象顯著;第9 d和第7 d的實驗現象相差無幾。從顯色劑的顯色效果看，加入斐林試劑的實驗現象更直觀明顯。淀粉被分解后，產生的葡萄糖與斐林試劑作用，生成很明顯的磚紅色沉淀;加入碘液后，實驗溶液依舊變藍，只是顏色較對照組淺。這說明，一方面斐林試劑的顯色效果較顯著;另一方面，短時間里淀粉不能被分解殆盡。

3.2 pH對土壤微生物分解作用的影響

pH為8.12的原始土壤浸出液中，微生物對淀粉糊的分解作用結果最明顯，出現最多的磚紅色沉淀;弱酸（pH6.62）和弱堿（pH9.62）性的土壤浸出液中，微生物對淀粉糊的分解作用結果出現較多的磚紅色沉淀，但均少于原始pH的土壤浸出液;強堿性（pH11.12）的土壤浸出液中，微生物對淀粉糊的分解作用結果產生較少的磚紅色沉淀;強酸性（pH5.12）的土壤浸出液中，微生物對淀粉糊的分解作用結果產生最少的磚紅色沉淀。碘液的顯色反應結果并沒有明顯的差別，說明只有部分淀粉被分解。

3.3 土壤微生物的計數

涂布平板結果顯示，土壤浸出液中微生物的含量約為668 889個/mL;根據之前的實驗步驟得知，實驗土壤浸出液濃度為0.1 g/mL，因此土壤中微生物的含量約為6 688 890個/g（表1）。有教學條件的學?？稍O計該實驗，分析不同土壤微生物具有不同分解作用的原因，讓學生更深入地理解和掌握知識，培養學生的科學素養和探究精神。

4 討論

“土壤微生物的分解作用”實驗中，材料易得，操作簡單，可以在教學活動中順利實施。許多學校由于實驗時間較長，影響教學安排，而很少開展這一探究活動。但筆者發現，該實驗不但可以在短時間內完成，而且能開發出與之相關的教學實驗，如pH對土壤微生物分解作用的影響、土壤微生物計數等，這對學生創新思維的培養大有裨益。如果學校教學條件有限，無法順利開展該實驗，可由教師演示或者播放實驗錄像，以取得一定的教學效果。

在本實驗中，筆者并未以土壤類型為實驗變量，探究不同土壤中微生物分解作用和微生物數量的異同。但學校在安排教學活動時，可以將學生分組，不同小組以不同的土壤為研究對象開展實驗。這樣既節約了時間，又可以達到很好的實驗效果。

本研究確定的適宜實驗條件，可以為廣大師生提供參考。各學校也可以借鑒筆者的思路，開展類似實驗，并安排不同學生完成不同條件下的實驗，最后匯總結果，探討比較。這不僅能幫助學生培養團隊合作精神和創新實踐能力，也能激發學生對生物學實驗的熱情，進一步培養學生對生物學科的興趣。

參考文獻：

篇6

如果有人向你提出這個奇怪的問題，你也許會不假思索地回答：人類就是人呀！然而生物學家會告訴你，我們人類，就是人與寄存在人體軀殼內的大量微生物共生的一個小小的生態系統。

通過基因測序研究人體微生物

早在300多年前，顯微鏡被發明后不久，科學家已觀察到人體內存在微生物。然而，由于檢測、分析技術等的限制，人們無法大規模地獲取人體微生物群的構成、功能等詳細信息，更無法進一步了解這些數量龐大的微生物群與人體是如何相互作用的。

從人類基因組的破譯開始，人們才真正對這些微生物有了比較深入的了解。2000年6月26日，當美國總統克林頓與英國首相布萊爾共同宣布人類基因組計劃工作草圖完成時，整個世界都為之轟動。圍繞著破譯“生命密碼”的研究，引起公眾的廣泛關注和討論。很多人曾認為，只要讀懂人類基因組代表的“生命密碼”，人類的所有健康問題將會迎刃而解。然而，越來越多的科學家發現，人體除受自身基因的調控外，還受到人身上大量的共生細菌的影響。

2007年底，美國國立衛生研究院正式啟動為期5年的“人類微生物組計劃”，共投入經費1.4億美元。該計劃是繼“人類基因組計劃”完成之后一項規模更大的DNA測序計劃，也被稱為“人類第二基因組計劃”。其目標是探索研究人類微生物組的可行性。通過繪制人體不同器官中微生物元基因組圖譜（包括細菌、病毒等微生物），解析微生物群結構變化對人類健康的影響。同時，為其他科學研究提供信息和技術支持。我國作為參與者也一直積極推動初期研究工作。

歐盟也有類似的研究項目，例如，作為人類元基因組第七框架項目的子項目，人類腸道宏基因組計劃就主要研究人類腸道中的所有微生物群落，進而了解人腸道中細菌的物種分布，最終為后續研究腸道微生物與人的肥胖、腸炎等疾病的關系提供非常重要的理論依據。中國深圳華大基因研究院承擔了該計劃中的200多個歐洲人腸道微生物樣品的測序及后續生物信息分析工作。

這一系列研究項目正在揭開人體微生物神秘的面紗。例如，研究發現腸道菌群結構的改變與失衡除了會導致腸道疾病外，還與糖尿病、肥胖等很多慢性全身性代謝性疾病有密切關系，甚至還與癌癥有關。微生物甚至還影響著機體免疫系統的發育成熟。越來越多的研究提示，人類健康與人體微生物息息相關，隨著人體與微生物之間的關系不斷得到闡明，人們對于人體本身的認識、對于健康和疾病的認識以及醫療模式都有可能隨之發生根本的改變。

研究發現微生物與人體健康息息相關

2010年3月4日，歐盟于2008年1月1日啟動的人類腸道宏基因組計劃的研究小組公布階段性重大成果，引起世界的關注。該項研究成果收集了124個來自于歐洲人腸道菌群的樣本，采用了新一代大規模高通量的測序技術進行深度測序，產出近6千億的堿基序列。經過序列組裝和基因注釋分析，從中獲得330萬個非冗余的人體腸道宏基因組的參考基因，大概是人自身基因的150倍。這個基因集中包含了絕大部分目前已知的人體腸道微生物基因，但更多的是目前未知微生物的基因。從這個基因集中可以估計人腸道中存在1000種至1150種細菌，平均每個人體內含有約160種優勢菌種，并且這些細菌是絕大部分個體所共有的。也就是說，我們每個活著的人體內都有大約100萬億個微生物細胞，總重量約1.5千克。微生物細胞的數量是人體細胞的10倍，在人體的獨特基因中占99.9%。它們的構成在很大程度上決定著人體的運轉以及機能正?；蚴С?。

美國人類微生物組計劃在2012年集中公布了第一批研究數據，來自多個國家的超過200名科研人員報道了他們5年來的研究成果。他們分析了242個美國健康志愿者微生物基因組，獲得了近800個菌種的基因參考序列。他們發現，來自牙齒和糞便的微生物樣本其類型和遺傳多樣性是最強的;來自皮膚和臉頰內側樣本的多樣性次之;而來自陰道樣本的多樣性是最低的。

科學家們還發現，不同國家人群中的腸道微生物存在很多差異，差異最顯著的是微生物的多樣性程度。例如，印第安人和馬拉維人的腸道微生物組比美國人的腸道微生物具有更大的多樣性。有觀點認為，微生物多樣性程度越高，人體越健康。該研究還發現，盡管來自三種不同地域人群的腸道微生物組存在很多差異，但它們之間也存在驚人的相似性。例如，三個不同國家的嬰兒微生物組形成過程具有共同的模式，即嬰兒需要6個月至9個月的時間來獲得第一組600～700個細菌，然后再經過幾年的時間才能獲得成人的微生物組。該研究還發現了一個非常有趣的現象，即腸道微生物組的構成會隨年齡增長而發生改變，而這一變化恰恰適應了不同年齡段人體的需求。

同時，人體微生物還與免疫系統有著密切的關系。2012年4月，日本科學家在《科學》報告，發現一種免疫抑制性受體控制著腸道菌群的構成，如果這種受體缺失，腸道內的微生態環境就會紊亂，會導致全身免疫系統過度活躍，進而有可能出現自身免疫性疾病等病態變化。研究者認為，這些新發現有望幫助開發預防或緩解自身免疫性疾病癥狀的新方法。同期《科學》的另一項研究也提示，在生命早期接觸微生物可以減少哮喘或炎癥性腸病等疾病的發生。

人類腸道菌群與肥胖

隨著科學家們研究的深入，我們對人類體內的微生物，尤其是腸道內的菌群，有了更多的了解。人類的消化系統實際上是一個復雜的生態系統，成百上千種細菌在那里開展各種活動，比如，讓未消化的碳水化合物發酵、提供維生素，等等。它們還能調節你身體儲存的脂肪量。

不過，并非每個人都有同樣的腸道菌群。而且，有趣的是，菌群的組成與肥胖有關。當然，這種關系可能很簡單，胖人的飲食不同，所以，他們的腸道菌群也不同。

2013年《科學》雜志發表的一項研究表明，這種因果關系也有可能顛倒過來。研究人員從一些雙胞胎小鼠身上取出細菌，雙胞胎中有一只肥胖，另外一只不胖。然后，他們將細菌移植到不同的小鼠身上。接受了肥胖雙胞胎菌群的小鼠體重增加了，其他小鼠則不然。這些小鼠的進食沒有增加：是它們的新陳代謝變化導致了體重增加，即使攝入的熱量不變。

那么，是什么決定了你的腸道菌群呢？有可能是抗生素、環境毒素或食品的加工方式?！缎掠⒏裉m醫學雜志》上發表的一項研究表明，肥胖似乎能在社交網絡中“傳染”，讓朋友和鄰居感染上肥胖。我們以前一直認為，那是物以類聚、人以群分的結果―這也確實是部分原因。不過，會不會是腸道菌群也可以在非常親密的人之間傳播，所以，肥胖或許真的可以傳染？

生物因素和行為因素之間往往存在相互作用，比如流感的傳播就跟我們是否勤洗手關系巨大。同樣地，這項對細菌的研究也發現，只有當小鼠的飲食中含有大量飽和脂肪時，“肥胖腸道菌群”才會起到作用。

最有趣的大概是，改變生物因素甚至可以改變人的欲求。一些生物學家推測，我們的腸道細菌其實驅動了我們對某些不健康食品的渴求。所以，重視生物因素并不等于淡化行為因素，而是意味著從更多的維度理解它。

我們身上的微生物正在發生變化

關于人類和與人類共存的微生物，正在發生一些值得我們憂慮的變化。就像全世界的生態系統一樣，人類微生物菌群正在失去它們的多樣性，以至于可能會損害它們所寄居的主體的健康。

紐約大學醫學院傳染病專家、 人類微生物組計劃負責人馬丁?J?布拉澤博士在過去30多年間，一直研究細菌在疾病中發揮的作用。除傳染病外，他的研究范圍還囊括了自體免疫疾病，以及其他在世界范圍內急劇增加的疾病。

布拉澤在他的新書《消失的微生物》中表示，微生物組多樣性的減少導致我們更容易感染嚴重且通常都是慢性的疾病―從過敏、乳糜瀉到一型糖尿病和肥胖癥。布拉澤及其他人認為，這主要是由抗生素造成的。

布拉澤表示，抗生素很早就開始對微生物多樣性產生破壞。普通的美國兒童在出生的頭兩年要接受大約3個療程的抗生素，在接下來的8年里，要再進行8個療程。很短療程的抗生素治療就能致使人體的微生物環境發生長期轉變，比如，被廣泛使用的阿奇霉素。

抗生素并不是破壞平衡的唯一因素。布拉澤接受采訪時表示，近幾十年，選擇剖腹產的人激增，剖腹產促使嬰兒內臟中的微生物來自母親的皮膚，而不是產道。

微生物組的變化能夠改變嬰兒的新陳代謝和免疫系統。最近，研究人員查閱了15項共涉及16.3796萬個分娩案例的研究，結果發現，與順產的嬰兒相比，剖腹產嬰兒成人后超重的幾率要高26%，肥胖的風險要高22%。研究人員發現，人的胎盤有自己的微生物組，這個微生物組可能也有助于嬰兒的內臟健康，減少由剖腹產引發的微生物損耗。

其他研究發現了正常體重者與肥胖者腸道中微生物的主要差異。雖然這些研究不能說明最先出現的是那個問題―體重問題或微生物組的變化，但研究說明，肥胖的老鼠體內存在能夠更好地從食物中吸取熱量的腸道菌群。與肥胖相關的進一步證據來自農場里的動物。在美國出售的抗生素中，大約有3/4都用在牲畜身上。這些抗生素改變了動物的微生物菌群，加快了它們的生長速度。布拉澤說，當我們把用于牲畜的抗生素用在老鼠身上時，它們的新陳代謝就會發生改變，并促使它們的體脂增加。

更嚴重的是，如今有越來越多嚴重的功能失調都與人類內臟的微生物平衡被破壞有關。其中，有多種功能失調在發達國家中變得越來越常見，如克隆氏癥、潰瘍性結腸炎和乳糜瀉胃腸疾病等;心血管疾病;非酒精性脂肪肝;慢性反流癥等消化失調問題;多發性硬化和風濕性關節炎等自體免疫性疾病以及哮喘和過敏。

有些研究人員甚至推斷，內臟微生物菌群失調是造成乳糜瀉的原因，所以，甚至連沒患這種病的人對無麩質食物的需求也會激增。乳糜瀉舊稱非熱帶脂肪瀉，又稱乳糜腹瀉、麥膠引起的腸?。ê喎Q麥膠腸病）。乳糜瀉是一種具有遺傳性的發生于小腸的自身免疫性疾病，從嬰兒到各年齡段的人都會罹患。乳糜瀉的癥狀包括慢性腹瀉，生長遲滯（兒童）和疲勞，但有些人癥狀不明顯。在北美、北歐、澳大利亞發病率較高，我國國內很少見。

布拉澤和其他研究人員，還有來自瑞士和德國的一組研究人員也認為，哮喘患病率的大幅上升與“幽門螺桿菌從西方社會快速消失有關”。眾所周知，幽門螺桿菌是一種長期寄存在人類胃里的細菌性病原體。曾幾何時，幾乎每個人體內都有這種細菌，歐洲研究者已經證明，它能防止老鼠出現過敏性哮喘的癥狀。在人生命的早期階段，幽門螺桿菌的存在能促使血液中產生T細胞。布拉澤表示，壓制過敏反應就需要這種細胞。他的研究表明，雖然有些類型的幽門螺桿菌與消化性潰瘍和胃癌有關，但其他類型則具有保護作用。布拉澤和同事的研究進一步表明，胃部的幽門螺桿菌能夠防止胃食管返流疾病、巴雷特氏食管（食管下端有不正常的柱狀上皮覆蓋，稱之為巴雷特氏食管。普遍認為是后天獲得的，并與反流性食管炎密切相關，并有發生腺癌的可能）和食道癌。

研究者不是總能說明腸道菌群紊亂會在人們生病之前還是之后出現。不過，對實驗室動物的研究往往表明，菌群紊亂會發生在生病之前。

篇7

【關鍵詞】 微生物檢驗；臨床應用；質量控制；策略 

DOI：10.14163/j.cnki.11-5547/r.2016.04.020 

近幾年來， 因患有感染疾病而就診的患兒逐漸增加， 而對患兒給予一定的微生物檢驗有助于患兒的臨床診斷和治療， 可有效提高質量控制情況[1， 2]。本文對微生物檢驗在臨床應用中的質量控制策略進行相關的研究及探討， 所研究的相關結果報告如下。 

1 資料與方法 

1. 1 一般資料 選取2013年4月～2015年4月本院所收治的60例腹瀉患兒作為研究對象， 按照隨機的原則分為對照組和研究組， 每組30例。 住院時間 8～30 d， 平均住院時間（15.78±10.84）d。對照組中男16例， 女14例， 年齡3～10歲， 平均年齡（5.6±3.3）歲；研究組中男17例， 女13例， 年齡2～11歲， 平均年齡（5.5±3.2）歲。兩組患兒年齡、性別、住院時間等一般資料比較差異無統計學意義（P>0.05）， 具有可比性。 

1. 2 方法 對照組腹瀉患兒的菌株不進行微生物檢驗， 醫生對本組的腹瀉患兒進行大致的觀察之后， 結合自身的臨床工作經驗， 對患兒進行診斷和常規的治療；對研究組腹瀉患兒的菌株先進行微生物檢驗， 方法為， 檢驗工作人員進行純菌種的提取， 使用ID32E腸道菌鑒定試條實施菌株的細菌測試實驗， 將測試得到的結果和標準菌株進行一定的對比分析， 使用 ATBG-5腸桿菌藥敏條分析實施藥敏檢驗， 并進行一定的對比分析， 使用微生物分析儀進行詳細的檢測等， 然后根據微生物檢驗的結果對本組的腹瀉患兒實施臨床的相應治療。 

1. 3 療效判定標準 顯效：治療后， 患兒的臨床表現癥狀均已經消失， 患兒的身體機能逐漸恢復至正常；有效：治療后， 患兒的臨床表現癥狀得到有效的改善， 但仍需進行一段時間的持續治療；無效：治療后， 患兒的臨床表現癥狀沒有得到明顯的緩解， 或進一步加重?？傆行?（顯效+有效）/總例數×100%。 

1. 4 統計學方法 采用spss19.0統計學軟件對數據進行統計分析。計量資料以均數±標準差（ x-±s）表示， 采用t檢驗；計數資料以率（%）表示， 采用χ2檢驗。P<0.05為差異具有統計學意義。 

2 結果 

研究組腹瀉患兒的治療總有效率93.33%（顯效16例， 有效12例， 無效2例）明顯高于對照組76.67%（顯效13例， 有效10例， 無效7例）， 差異具有統計學意義（P<0.05）。 

3 討論 

使用微生物檢驗法能及時的找出感染的原因， 以便做好醫院手術室及病房的相關消毒工作， 并對醫院產生的垃圾及廢棄物進行有效處理， 切斷病原菌的傳播途徑， 有效控制細菌的傳播， 而且， 使用微生物檢驗法還能對相關的病原菌的耐藥性進行了解和掌握， 有效檢測所得到患者的腸道及呼吸道的菌群狀況， 對易感人群進行有效的預防， 減少感染的發生率。 

微生物檢驗對于臨床感染的質量控制策略主要有：①醫院需定期對隔離及消毒的技術給予及時更新， 使用較新的技術實施消毒處理， 在進行醫院的相關檢驗工作時， 需要嚴格的根據病學的相關資料和原則進行工作， 在完成相關的檢驗工作之后需要及時的將檢驗所得到的細菌的耐藥性給予公布， 將相關病原菌的記錄和統計等工作做好， 對其耐藥性的變化進行詳細的掌握。②醫務工作人員實施微生物的檢驗工作時， 檢驗工作人員應先對感染源的相關資料進行搜集， 對醫院中的傳染源相關信息進行全面的掌握， 并有效保持醫院內部環境的衛生等， 減少因環境的原因所引起的細菌滋生情況， 臨床檢驗、診斷、治療等所應用一次性的用品和醫護工作人員的雙手均需進行細菌的檢測， 并給予有效的消毒和滅菌， 避免發生細菌感染。③檢驗工作人員需要和患者及患者家屬增強溝通與交流， 及時掌握患者的病情變化和發展， 對患者進行及時的微生物檢驗， 并對具有傳染性疾病患者進行隔離， 避免細菌在院內患者、家屬、醫務人員之間的傳播和感染等[3-5]。 

本研究中， 研究組腹瀉患兒的治療總有效率高達93.33%， 要比對照組腹瀉患兒的76.67%明顯更高（P<0.05）， 可以看出， 對腹瀉患兒實施微生物檢驗確定病菌類型后實施針對性的治療護理效果較好， 可明顯改善患兒的病癥， 提高患兒的臨床治療效果， 存在重要臨床應用價值。 

總之， 微生物檢驗在臨床應用中具有重要的質量控制作用， 需引起充分的重視和關注。 

參考文獻 

[1] 王治國.微生物檢驗在臨床應用中的質量控制.當代醫學， 2014， 11（7）：147-148. 

[2] 貢樹基， 周偉， 計惠民， 等.微生物檢驗在臨床應用中的質量控制要點探析.中國保健營養（下旬刊）， 2013， 23（7）：4120-4121. 

[3] 賈萍.微生物檢驗的臨床應用與質量控制.現代婦女（理論版）， 2015， 5（1）：313. 

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1微生物指標監測湖泊環境的研究現狀

在現階段的環境評價中微生物指標已經得到廣泛的應用。侯春良在唐海濕地生態系統服務功能價值評估和保護研究中表明微生物參與環境的凈化,通過微生物的代謝和相互作用調控環境中氮磷濃度,有效降解有機物的濃度[3];丁忠良在黑龍江省濕地生態環境監測指標討論中,指出微生物的指標包括微生物的種群分布、數量、季節變化、總數、酶類與活性等參數評價濕地的生物多樣性具有客觀性、實效性,微生物其生長繁殖速度快、適應能力強,所以這樣的評估方式更能直觀快速的反應湖體的變化[4];楊永興在研究湖泊的特點時說明在水域變化的過程中有著適應不同變化的微生物群體,伴隨這水域環境的變化微生物有這明顯的潛育化過程[5]。

2微生物指標在分子水平上的研究

由于自然界中99％的微生物在目前的培養技術下還不能被培養[6],這就極大的限制了人們對微生物種類和數量的認識和了解,但目前分子生物學如16SrDNA技術、變性梯度凝膠電泳技術、宏基因組文庫技術等,以及生物信息學應用于極大的促進了人們對于微生物遺傳多樣性及微生物種群和功能的認知。

PCR-RADP是采用對某一特定基因的非特異性的引物來擴增某些片斷,操作簡便,引物實用性廣,對于結果準確性要求比較不高以及親緣關系近的種屬有較高的可信度。SSCP技術基因指紋技術(geneticfingerprinting)是近年來在微生物群落監測中的應用中迅速崛起的用于分析微生物群落的結構、動態等特征的技術,該技術不需要對微生物進行培養。rRNA基因同源分析方法是多種分子生物學技術的組合,它通過對微生物的rRNA進行分析揭示微生物的多樣性是微生物分子生態學的重要方法,目前已經取得了大量的成果。

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【關鍵詞】微生物燃料電池，研究，應用

微生物燃料電池（Microbial Fuel Cell，MFC）是一種利用微生物將有機物中的化學能直接轉化成電能的裝置。其基本工作原理是：在陽極室厭氧環境下，有機物在微生物作用下分解并釋放出電子和質子，電子依靠合適的電子傳遞介體在生物組分和陽極之間進行有效傳遞，并通過外電路傳遞到陰極形成電流，而質子通過質子交換膜傳遞到陰極，氧化劑（一般為氧氣）在陰極得到電子被還原與質子結合成水。

一、作用原理

參與傳遞電子的介體與微生物和陽極之間的作用形式有三種：（1） 微生物將氧化還原反應產生的電子直接傳遞給溶解在溶液中的介體，介體再將電子傳遞給電極；（2）介體能進入到微生物體內，參加反應被還原，從微生物體內出來后再將電子傳遞給電極；（3） 微生物吸附在電極表面，它將反應產生的電子傳遞給在細胞表面的介體，再通過介體傳遞給電極。

二、研究目的和意義

目前，我國工業化進程發展迅速。在工業化快速推進過程中，對能源的需求和依賴日益增長。然而，目前支撐著工業和經濟發展的化石燃料已經難以為繼。因此，發展新能源和可再生能源，減少對國際石油市場的依賴，已經成為我國重要的戰略性布局。微生物電池不僅用于產生清潔能源，還能凈化污水。污水處理費時費錢還消耗大量能量，基本是個只投入不產出的行業，也是讓各國政府頭疼的一大難題。因此，又能凈化水質，又能發電的微生物燃料電池一旦出現，將有望把污水處理變成一個有利可圖的產業。微生物燃料電池（Microbial fuel cell， MFC）是一種以產電微生物為陽極催化劑將有機物中的化學能直接轉化為電能的裝置，在廢水處理和新能源開發領域具有廣闊的應用前景。雖然目前已發現很多產電微生物，如希瓦氏菌、地桿菌、克雷伯氏桿菌等，但這些菌種均只能在中性條件下產電。理論上，堿性條件可以抑制甲烷的產生從而有利于電能輸出，而且堿性廢水是工業廢水的重要組成部分。產電微生物如何將有機物代謝產生的電子傳遞到電極上一直以來是MFC研究的一個重要方向，因此，研究堿性條件下的微生物產電機制對MFC的電能輸出與堿性廢水的生物處理均有重要意義。中國科學院成都生物研究所應用與環境微生物中心李大平研究員課題組在微生物燃料電池的產電機制研究方面取得突破性進展。他們從污染環境中分離出一株嗜堿性假單胞菌（Pseudomonas alcaliphila），該菌株在堿性條件下能夠分解有機物的同時產生電能，最佳pH為9.5。通過研究發現，該菌株在MFC體系中代謝有機物的同時產生吩嗪-1-羧酸介體（phenazine-1-carboxylic acid，PCA），該介體起電子穿梭的作用從而實現電子從有機物到電極的傳遞過程。

三、研究內容與方法：

1、微生物燃料電池的菌種群落的培養

產電細菌是微生物燃料電池的核心構件。產電細菌的電化學活性直接決定了微生物燃料電池的能量密度。而對于微生物燃料電池中的微生物， 不論是自身具有電化學活性，還是進行種間電子傳遞，對于它們構成的生物群落的研究剛剛開始。本項目將依托舟山地區得天獨厚的自然地理環境和豐富的微生物群落，通過對海底沉積物的選取和以及細菌培養，以期能夠發現新型產電細菌，提高海底微生物燃料電池的功率密度， 并研究其產電機理。

2、海洋沉積物微生物燃料電池系統的設計和優化

微生物燃料電池系統主要包括三個要素：陽極，陰極和膜。 由于海洋沉積物燃料電池工作于海水環境中，海水中含有高濃度的鹽分，工作環境惡劣，這將對海洋沉積物燃料電池的構件提出了更高的要求。另外，微生物燃料電池的造價也會直接影響微生物燃料電池的實用化進程。在微生物燃料電池的使用中，一般使用氧氣做電子受體，碳擔載的貴金屬納米粒子（Pt）作為氧還原催化劑并用交換膜將微生物燃料電池的陽極和陰極隔開。貴金屬催化劑的使用，提高了微生物燃料電池的成本，并且，海水中的氯離子會對Pt催化劑產生毒化作用，這將會造成微生物燃料電池的效率損失。因此，本項目將設計一種新型的微生物燃料電池系統，采用雙極膜作為微生物燃料電池陰極與海水的分隔物，利用水離解產生的氫氧根和氫離子作為傳輸介質，隔絕海水中氯離子對陰極催化劑的毒化作用這是本項目的技術關鍵。

四、研究目標與結果

第一部分為對原有燃料電池的改造：本實驗室原有燃料電池反應器多個，但是由于微生物燃料電池中微生物為厭氧性細菌，需要將燃料電池原有氣室改造為適合微生物生長的密閉培養室。

第二部分為培育和優化產電菌種群落：本項目將分別從小黃蟒島等具有代表性的島嶼處選出海底沉積物，在燃料電池細菌培養室內培養，啟動并測試微生物燃料電池的功率密度，以期能夠得到高功率，非硫還原的產電菌種。

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（1.中國海洋大學環境科學與工程學院，山東 青島 266100；

2.青島理工大學環境與市政工程學院，山東 青島 266033）

【摘　要】微生物群落是生態系統中最活躍的結構單位和功能單位，因此了解各種環境中微生物的群落結構有著重要的意義，其研究的技術也一直在進步。高通量測序可以一次獲得多條基因序列，使得其在環境微生物學中的研究中倍受青睞。探討了454高通量測序早在環境微生物學中的應用。

關鍵詞 高通量測序；環境微生物；微生物群落結構

微生物群落是廣泛存在于生態系統中的一種結構單位和功能單位，它們是生態系統內較為活潑的一部分。群落中各種不同的種群能以有規律的方式共處，進行相互作用，同時它們具有各自明顯的營養和代謝類型。了解微生物群落結構的方法主要有分子生物學的方法、Biolog法以及近年來發展起來的高通量測序技術。

1　高通量測序技術

隨著科技的迅猛發展，測序技術也在進步，這些測序技術可以在種的水平上對環境微生物進行分析和研究。出現在上世界70年代的Sanger測序法[1]，成本高測序通量低，成為了其廣泛使用的限制因素，但它卻是20世紀90年代到本世紀初期一直在使用的測序技術。

人類基因組這樣龐大的序列分析工作需要，使得新一代的測序技術也發展了起來。它的特點是價格低通量高，高通量則指的是每次分析都能得到幾十萬或幾百萬條DNA的序列。454高通量測序是由454生命科學公司在了2005年開發的，2007年，該公司了GS FLX系統，2008年了它的升級GS FLX Titanium。

現在新測序技術的主要平臺主要有[2]：羅氏454公司推出的GS FLX+system測序平臺，Illumina公司推出的MiSeq測序平臺，和ABI公司的Solid測序平臺等。本研究使用的是454高通量測序技術。

454高通量測序原理[3]：它采用的是焦磷酸測序法，是4種酶催化統一體系的酶級聯化學發光反應。首先將 PCR 擴增的單鏈 DNA與引物雜交，并與DNA聚合酶、ATP硫酸化酶、熒光素酶、三磷酸腺苷雙磷酸酶、底物熒光素酶和5&acute;-磷酸硫酸腺苷共同孵育。在每一輪測序反應中只加入一種dNTP，若該dNTP與模板配對，聚合酶就可以將其摻入到引物鏈中并釋放出等摩爾數的焦磷酸。焦磷酸鹽被硫酸化酶轉化為ATP，ATP就會促使氧合熒光素的合成并釋放可見光。CCD檢測后通過軟件轉化為一個峰值，峰值與反應中摻入的核苷酸數目成正比。

擴增和測序可以高度保留細菌的遺傳特性，是一種很常見的來確定其分類和組成的方法。通過比較現有的數據庫，可確定其來自哪個生物的序列，從而確定細菌門類和各自占據的比例。

2　高通量測序技術在環境微生物中的應用

454高通量測序可以得出某個土壤區域或者生物膜中各種菌類組成，從而研究該區域微生物物種多樣性；通過測序可以得到微生物的群落結構、組成，再與微生物活性、營養元素的轉化等理化性質結合一起分析，來研究微生物的功能多樣性。

張彩霞[4]等運用454高通量測序來研究甘肅不同地區的土壤由荒漠變成百年老農田、約30年的農田、約20年的農田、樟子松林等過程中土壤微生物群落結構變化規律及其影響因素，對比對照組的土壤發現，在由天然荒漠土壤轉變成為不同利用類型的土地土壤過程中，具有從多變少再變多的趨勢。在天然荒漠土壤中，微生物總量的96%以上，在土壤轉變的過程中其生長受到了抑制，有4%的微生物在次過程中生長受到了促進。這個結果表明了土壤的微生物群落結構會受到土地利用類型變化的顯著影響。

Michaela等[5]人利用高通量測序技術研究了森林凋謝物和土壤中微生物的細菌和真菌群落結構，對28個站點的樣品進行分析，發現凋落物和土壤中存在著不同的微生物群落結構。其中，細菌的多樣性要比真菌豐富，尤其是在凋謝物中，細菌群落表現出了更高的均勻度。無論是凋謝物還是土壤中的微生物群落結構，都顯著受到了樹種的影響。

李鑫等[6]運用高通量測序技術分析了鹽堿地中，桑樹與大豆單作和間作不同種植模式的土壤細菌微生物群落結構差異性。結果顯示，間作時土壤的微生物多樣性要比單作豐富，即間作使得土壤的微生物群落結構多樣性有所提高。同時間作也改變了大豆和桑樹的根基微生物群落結構。在鹽堿地的種植中，間作不僅可以降低土壤堿性，還使得土壤的群落結構多樣性有所提高，植物產量增加。

夏圍圍等[7]將新一代高通量測序技術與DGGE兩種技術結合使用到了研究是新西蘭典型草地和森林土壤微生物群落結構上，以16S rRNA基因為標靶, 通過兩種技術來分析土壤微生物群落的結構組成和多樣性，同時以此來比較兩種技術的優缺點。測序分析結果顯示，新西蘭草地土壤檢測到22門，54綱，60目，131科和350屬；而DGGE卻只檢測到6門，9綱，8目，10科，10屬，這表明了高通量測序比DGGE能更完整的表達出微生物的群落結構組成。同樣的，在森林土壤也顯示出了類似的規律。

3　結論

目前，高通量測序技術仍處于發展的初期，但我們可以預見，在未來幾年將是第三代測序技術快速發展和三種測序技術的共存的黃金時代。測序成本將繼續迅速下降?？茖W家們在不同的領域將可以花更少的錢測序基因組物種或轉錄來達到更好的實驗結果和獲得更多的新的發現。此外，如何分析通過高通量測序產生的大量數據和從這些數據中提取有價值的生物信息將成為未來研究的熱點和重點。

參考文獻

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［3］Meyer M,Stenzel U,Hofreiter M.Nature Protocols[J]. 2008,3:267-278.

［4］張彩霞.新一代高通量測序技術研究土壤微生物群落結構對環境條件的影響[D].南京:南京農業大學,2012.

［5］李鑫.蘇打鹽堿地桑樹/大豆間作的土壤微生物多樣性研究[D].哈爾濱:東北林業大學,2012.

［6］夏圍圍,賈仲軍.高通量測序和DGGE分析土壤微生物群落的技術評價[J].2014,12:1489-1499.