國際趨勢文章分享-菌群結構分析技術應用於調查整治場址(106/02)2017/07/20
除了上述針對場址中目標基因進行定量的探討,另一個重要的事項為場址中全面性菌群結構的探討。以氯烯類污染場址為例,雖然Dehalococcoides屬為主要的氯烯類污染物降解菌,然而它需要場址中其他共營菌群來分解有機化合物而提供電子或氫氣,以利後續的高氯數乙烯化合物的分解。 此外,場址中的甲烷菌(methanogens)會與Dehalococcoides屬競爭氫氣,而硫酸還原菌則會與Desulfitobacterium屬(另一具有氯乙烯類的降解能力的菌群)競爭硫酸鹽。因此,了解場址中的菌群結構,可以了解菌群間的交互作用(如合作關係,或競爭關係)。
在菌群結構分析方面,大多是以分子選殖法(cloning)和次世代定序技術(NGS)為主,Cloning法在16S rRNA基因分類學上,可藉由近全長(~ 1500 bp)的目標序列分析來鑑定微生物種類至最詳細的種(species)或株(strain),其缺點為各獲得菌種在菌群結構實際分佈的信賴度取決於有效colony的序列解析數。 近年來,NGS技術被廣泛地應用於分析菌群結構,雖然有效片段長度約450 ~ 600 bp (在分類學上可區分至目(order)或科(family)),然而一次可分析幾萬至幾十萬條序列,因此,可獲得較精準的菌群結構。
在定序解析法中,分為目標放大片段的質量定序(Mass sequencing of amplicons)和全面性定序(Global sequencing),其中mass sequencing又根據定序片段為核醣體基因(ribosomal genes)或是功能性基因(Functional genes)來定義所獲得的微生物社群是以分類學來區分,還是以具有功能活性菌群所組成的菌群結構。 另一方面,global sequencing因不經過PCR放大程序,所獲得的序列資訊將同時包含核醣體基因和功能性基因的表現,因此能廣泛地應用於各種環境中的為菌群結構解析,然而因分析設備費昂貴,且需要有經驗的分析人員才能精確解讀數據,因此此技術尚未廣泛地被使用。
近年來,宏基因組學(metagenomics)整合了一些合適的分析工具來全面性解析複雜的微生物社群中全基因結構,包含採樣、DNA/RNA萃取、NGS定序和生物資訊解析等,自2011年起廣泛地應用於探討各種污染整治場址中微生物社群的動態變化,及微生物間的交互作用(如受原油、PAH、對苯二甲酸酯、氯乙烯類化合物污染等) 。 另一方面,應用metagenomics於受污染的環境中,能自難以培養的微生物中發現一系列具有代謝功能且尚未被發現的功能性基因,這些基因家族將能進一步拼湊出未知的微生物降解路徑。
此外,近期快速受到關注的omics-based分析方法,能協助解析單一微生物或混合微生物社群中的基因組(genome)、轉錄組(transcriptome)、蛋白質組(proteome)和代謝組(metabolome)等,包含宏基因組學(metagenomics)、宏轉錄組學(metatranscriptomics)和宏蛋白質組學(metaproteomics)。 除了metagenomics已於上段描述外,metatranscriptomics (又稱環境轉錄組,environmental transcriptomics)能提供在特定的時間或位置中微生物群組的基因表現輪廓,主要適用於量測微生物菌群受到環境刺激後特定基因表現的差異與調控。 最後則是metaproteomics (又稱環境蛋白質組,environmental proteomics),主要是提供在特定位置和時間點時,微生物社群中大多數蛋白質表現的描述,包括蛋白質豐富度和蛋白質間的交互作用,此分析無法利用DNA或RNA分析技術所獲得。 因此應用omics概念可全面性解析污染場址中微生物社群間的基因表現與生物降解機制。
以氯烯類污染場址為範例,Dehalococcoides mccartyi為關鍵的氯烯類化合物降解菌群,在厭氧還原脫氯的過程中需要氫氣、乙酸和corrinoids (如cobalamin和vitamin B12)參與反應,然而Dehalococcoides mccartyi為典型cobalamin缺陷的菌群,需藉由能提供cobalamin的微生物菌群來幫助,Men et al. (2017)利用metagenomic and metatrascriptomic進行分析,發現相較於其他的共營菌群,Veillonellaceae species可以產生並提供Dehalococcoides屬所欠缺的corrinoids。此外,Techtmann et al. (2017)亦指出由於棲息於環境中的微生物社群易隨著自然環境的變動和人為活動如污染而改變菌群結構,因此菌群組成可做為特殊環境特徵(如鈾或硝酸鹽污染地下水、或受油污染的海洋)調查的指標菌群(indicator species)或生物傳感器(biosensor)。 除了污染場址復育潛能評估的調查之外,Omics法可更進一步地了解各種污染物種在各種環境系統中的生物降解路徑。
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相關檔案
1.
2017-2 monthly report_formal.pdf