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本文由殷继忠编译，董小橙、江舜尧编辑。 原创微文，欢迎转发转载。 随着实验技术的发展,测序深度不断增加，成本逐渐下降。对于土壤微生物群落的宏基因组学和宏转录组学分析也逐渐得以应用，但这种研究方法受相关技术和生物信息学的限制，本篇文章讨论了组学在土壤微生物学中概念的相关定义，作者也提出了组学技术在海洋、淡水和肠道等其他环境中应用的部分观点。  原名：Dispersing misconceptions and identifying opportunities for the use of 'omics’ in soil microbial ecology 期刊：Nature Reviews Microbiology IF：26.819 发表时间：2015年 通信作者：James I. Prosser 通信作者单位：阿伯丁大学生物与环境科学研究所 微生物作为土壤生物特性、生物地球化学循环和土壤生态系统的主要影响因素，随着测序技术的进步可以更好的运用宏基因组学和宏转录组学方法来解决这些问题。 图1 土壤样品的宏基因组学和宏转录组学分析 图2 “以基因为中心”和“以基因组为中心”的宏基因组学之间的差别 1、宏基因组学和土壤功能 宏基因组学通过基因的相对丰度来描述群落结构，但重点仅局限于生理功能的一小部分。研究过程中土壤宏基因组学容易受到分子技术的限制和误导，因此宏基因组学并不能测定完整的群落结构。 从定性角度来说，当不需要检测基因功能的代谢途径被表达时，宿主生物体可能处于休眠、无活性或仅有活性的状态。土壤微生物群落含有许多编码过程中相互排斥的基因。一种酶可以参与几种不同的生理途径或作用于不同的生态系统功能。通过宏基因组分析可以得知与单个细胞内的特定功能基因相关的途径信息。 宏基因组数据通常表示功能基因的相对丰度，可以通过两种酶的相对活性来预测基因的相对活性。每个基因组的基因拷贝在不同的系统型之间变化，并且每个细胞的基因拷贝将随着单个生物体内的特定生长速率而变化。 在细胞内，通过途径的物质流动可以判断该途径中每种酶的量。即使在一个简单的途径中，宏基因组学技术对特定酶的敏感性极低，因此，通过该途径的代谢通量不能准确反映编码基因的丰度变化。 作者认为基因丰度或相对基因丰度不可以作为生理过程或土壤功能的可靠指标。如果可以作为可靠指标的话，宏转录组学和蛋白质组学的应用将会更加便利。宏基因组学能够提供很少的生理特征相关信息。 描述性和相关性研究通常可以反映全部的环境条件; 然而，这些研究往往是基于在单一时间点进行的测量，所用的方法通常会破坏样本内的空间结构，这意味着时间和空间的同质性是一个隐含的假设，而不能反映真实的生态系统。 2、宏基因组的价值 土壤宏基因组学目前主要是通过描述性研究来分析在单一时间点和地点采集的土壤样品。描述性宏基因组学一般会被用来探究相关的潜在活动信息，但在作者看来，除非该方法具有合理实验设计，否则这种方法几乎不能得到想要的结果。 在任何时间点检测的宏基因组都可以让人了解到微生物的功能，代谢途径以及当时的环境信息，但实际上并没有解释这些宏基因组信息的基础历史信息。尽管由于时间和空间异质性使得宏基因组数据与土壤功能相关联极为困难，但宏基因组数据则可以用来表征土壤的异质性。如果系统发育和功能之间存在联系，特定功能基因的多样性可能反映其微环境的异质性。由此看来宏基因组学在研究过程中具有极大潜力。 3、环境宏转录组学和土壤功能 宏基因组学可以告诉人们微生物存在的信息，宏转录组学可以描述微生物具体做的事情。从微生物群落中提取RNA，然后对mRNA进行测序，其产生的数据可以估算基因转录物的相对丰度。人们对转录过程动力学仍知之甚少，但海洋研究结果表明，转录本在转录后几分钟内就会降解，这对研究转录本的存在或丰度与代谢活性之间的联系具有巨大的影响。酶可能需要翻译后，或者在转录完成且转录物已降解之后，稳定的酶才会具有活性。 4、环境转录组学的价值 通过转录结果可以得知基因的上调下调情况等信息。宏转录组技术能够为我们提供转录后的活性信息，但也具有一定的局限性。通过对宏转录组时间的研究可能发现相关菌群对环境变化的响应。宏转录组学数据提供了有关微生物与其环境之间相互作用的信息。这不仅包括与营养供应及代谢途径相关的响应，还包括生理过程中的环境响应。 5、 土壤微生物学中的突出问题 5.1、环境变化的影响 环境变化对微生物群落的影响及其对土壤生物地球化学的贡献取决于其变化程度和群落的生理特征（图3）。温度（图3a）和pH值的微小变化不大可能显着改变群落组成。适度的温度或另一个环境参数变化将导致生物更适应新的环境条件（图3b）。 图3 温度变化对微生物宏基因组和转录组的影响 5.2、土壤生物地球化学 宏基因组数据是潜在活性和微生物对土壤生物地球化学潜在贡献的有用指标，与宏转录组学相结合时，以基因组为中心的宏基因组学有可能提供更准确信息，根据土壤的输入和产出以及当前的环境条件来预测土壤宏基因组的功能特征。 5.3、生态位的特殊性和差异 通过土壤异质性与群落结构之间的关系可以判断出生态位的特殊性和差异。生态位的特殊性是土壤微生物生态学中广泛存在的假设，大多用于研究系统发育和菌属功能之间的联系。宏基因组数据无法将系统发育和功能联系起来，阻碍了它在理论研究中的应用。然而，基因组为中心的数据具有巨大的潜力，可以指明哪些微生物对哪些功能负责，并且可以在精心设计的实验研究中用于对概念进行探究和验证。  组学技术像其他技术一样，它们的价值并不取决于技术成本，而是由它们帮助我们明确科学理论和解决科学问题的能力所决定。一种新技术的出现预示着有了新的方法解决当前局限性问题，而这些研究方法只有在该技术最终能够帮助解决特定的科学问题时才能体现价值。 |
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