微生物群落结构分析
土壤学中的土壤微生物群落分析方法
土壤学中的土壤微生物群落分析方法土壤生态系统是一种充满生机的生物体系，其中土壤微生物群落是其中最丰富和重要的组成部分之一。
土壤微生物在土壤生态系统中起着重要的作用，包括有机质分解、氮循环、生物固氮以及供给植物生长所需的营养元素等。
因此，对土壤微生物群落进行准确分析有助于了解土壤生态系统的健康和状况，为环境保护和农业生产提供有价值的参考依据。
本文将介绍土壤学中常用的土壤微生物群落分析方法。
一、DNA测序技术近年来，随着高通量测序技术的不断发展和成熟，DNA测序技术已成为研究土壤微生物群落多样性的主要手段。
目前常用的DNA测序技术包括Sanger测序、454测序、Illumina测序和PacBio测序等。
这些技术的主要区别在于读长、测序准确度、数据处理复杂度和成本等方面。
其中，Illumina测序技术是应用最广泛的测序技术之一。
该技术具有高通量、高准确度和低成本等优势，能够产生数百万到数十亿个序列，适用于研究微生物群落组成、特定功能基因的分布和微生物群落的分子进化等。
但该技术也存在一些限制，如读长短、测序偏差和寡核苷酸错误等，需要进行数据过滤和样本对比等后续分析。
二、FISH技术FISH（Fluorescence In Situ Hybridzation）是一种在原位的方法，能够直接观测微生物群落中细菌的存在和数量。
该技术使用DNA探针标记靶细胞的核酸序列，配合荧光探针进行检测和成像，可以定量测量目标细菌在样品中的丰度和空间分布。
FISH技术的优势在于高分辨率的成像和定量准确性，能够提示具体的微生物存在形态，如球形、杆状等。
三、PCR-DGGE技术PCR-DGGE（Polymerase Chain Reaction-Denaturing Gradient Gel Electrophoresis）技术依赖PCR扩增样品中的16S rRNA基因，然后将PCR产物在含有变性剂的聚丙烯酰胺凝胶上电泳，通过电泳道中的变性梯度来分离不同的微生物群落。
不同地区桃树根际土壤微生物群落结构及多样性分析
第44卷,第1期2024年1月栽培生理Cultivation Physiology中国果菜China Fruit &Vegetable不同地区桃树根际土壤微生物群落结构及多样性分析徐海忠2，薛彦华2，丁洪发2，戚恒瑞1，李天昊1，毛伟健1*，程凡升1*（1.青岛农业大学食品科学与工程学院，山东青岛266109；2.山东天同食品有限公司，山东临沂276000）摘要:植物根际土壤微生物群落能够加速根际营养元素的循环，调节土壤肥力。
分析桃树根际土壤微生态结构，可以为桃树种植土壤改良提供依据。
利用高通量测序技术对临沂市李官、汤头、沂水3个地区桃园根际土壤微生物多样性和群落组成进行分析。
经筛选和去除嵌合体后，得到了425267条优质序列，这些序列的长度主要集中在400～450bp 。
在3个地区的样品中共鉴定出4175个操作性分类单元（OTU ）。
物种分类结果显示，细菌包括25个门、54个纲、145个目、272个科、497个属和577个物种。
在临沂不同地区的桃树根际土壤样品中，细菌群落组成和结构存在一定差异，细菌丰富度和多样性的顺序为汤头＞沂水＞李官。
细菌群落中，线菌门和变形菌门的丰度之和达到50.37%～66.07%，属于绝对优势菌门。
根据COG 功能分类统计，土壤细菌的功能基因主要集中在新陈代谢、遗传信息和细胞信号传导等方面。
总体而言，桃根际土壤的细菌多样性和群落组成在不同地区之间存在差异。
关键词:桃树；土壤；根际微生物；16S rRNA 测序中图分类号：TS201.3文献标志码：A文章编号：1008-1038(2024)01-0072-08DOI：10.19590/ki.1008-1038.2024.01.015Microbial Community Structure and Diversity of Peach RhizosphereSoil in Different RegionsXU Haizhong 2,XUE Yanhua 2,DING Hongfa 2,QI Hengrui 1,LI Tianhao 1,MAO Weijian 1*,CHENG Fansheng 1*(1.College of Food Science and Technology,Qingdao Agricultural University,Qingdao 266109,China;2.Shandong Tiantong Food Co.,Ltd.,Linyi 276000,China)Abstract:Plant rhizosphere soil microbial community can accelerate the circulation of rhizosphere nutrients andregulate soil fertility.The analysis of rhizosphere soil microecological structure of peach trees can effectively improve the planting soil of peach trees.The rhizosphere soil microbial diversity and community composition of收稿日期:2023-06-11基金项目:山东省重点研发计划-乡村振兴科技创新提振行动计划（2022TZXD0012）；青岛特种食品研究院揭榜挂帅项目（6602422201）第一作者简介:徐海忠（1983—），男，工程师，本科，主要从事果蔬深加工方面的研究工作*通信作者简介:毛伟健（2000—），男，硕士，主要从事食品生物技术方面的研究工作程凡升（1983—），男，教授，博士，主要从事食品生物技术方面的教学与研究工作人类活动引起的全球变化包括大气二氧化碳浓度升高、气候变暖、降水变化、干旱和大气氮沉降增加，是全球范围内生物多样性丧失的主要因素[1]。
环境中的微生物群落结构与功能分析
环境中的微生物群落结构与功能分析在环境中存在着丰富多样的微生物群落，它们以其微小的体积和不可见的形态，却对环境的结构和功能发挥着重要作用。
本文将对环境中的微生物群落的结构与功能进行分析。
一、环境中微生物群落的结构环境中的微生物群落包括细菌、真菌、古菌和病毒等微生物，它们以不同的比例存在于土壤、水体、空气和生物体中。
微生物群落的结构主要由物种组成和物种丰度两个方面来描述。
1. 物种组成环境中的微生物群落由众多物种组成，其中细菌是数量最多的成员。
根据微生物的16S rRNA或18S rRNA基因序列差异，可以将细菌、真菌、古菌等进行分类。
不同环境中的微生物物种组成存在差异，土壤中的微生物种类较为丰富，水体中的微生物种类相对较少。
2. 物种丰度微生物群落的物种丰度是指在群落中不同物种的数量占比。
物种丰度可以通过测定微生物样本中的基因丰度或者菌落形成单位(CFU)来评估。
丰度高的物种在微生物群落中起主导作用，并对环境的结构和功能产生重要影响。
二、环境中微生物群落的功能环境中的微生物群落以其特殊的代谢能力和生物转化作用，对环境中的物质循环和能量流动发挥重要功能。
1. 生物降解微生物群落中的某些物种具有降解有机物的能力，可以分解植物残渣、油类和其他有机废物。
例如，土壤中的细菌和真菌可分解有机质，并将有机质转化为可供植物吸收的养分。
2. 氮循环微生物群落中的一些细菌和古菌参与氮循环过程，包括氮气固定、硝化、反硝化和氨化等。
这些过程对于土壤中的氮素转化和植物的氮营养具有重要意义。
3. 水质净化水体中的微生物群落能够降解污染物，改善水体的质量。
例如，一些细菌和藻类能够吸收水体中的营养盐，减少水体中藻类过度生长引起的富营养化问题。
4. 支持生态系统微生物群落在维持生态系统的稳定性和健康方面起到重要作用。
例如，土壤中的微生物参与了植物根系的固氮作用，提供了植物所需的氮源，促进了植物生长。
三、微生物群落结构与功能之间的关系微生物群落的结构和功能之间存在着密切联系。
土壤微生物群落结构与全球碳循环之间关联分析
土壤微生物群落结构与全球碳循环之间关联分析土壤是地球上最重要的碳库之一，承载着全球碳循环过程的关键。
土壤微生物群落结构是土壤碳循环的重要驱动因素之一。
本文将从土壤微生物群落结构和全球碳循环的角度，探讨它们之间的关联。
土壤微生物群落结构是指土壤中微生物的多样性、种类组成和丰度分布等特征。
土壤微生物群落包括细菌、真菌和古菌等微生物。
它们具有重要的功能，参与土壤有机质分解、养分循环和土壤呼吸等过程。
微生物通过嗜热或厌氧的代谢活动，将有机碳转化为二氧化碳、甲烷和其他气体，从而影响全球碳循环。
首先，土壤微生物群落结构对土壤有机碳储存和分解起着重要的作用。
土壤微生物通过分解有机质，将有机碳转化为溶解态和悬浮态有机碳，进一步影响土壤碳储存和透水性。
不同的微生物具有不同的功能，细菌更适应分解易降解的有机物，而真菌则更适应分解难降解的有机物。
因此，土壤微生物的组成和多样性会影响土壤有机质的分解速率和分解产物的类型，进而影响全球碳循环。
其次，土壤微生物群落结构对土壤呼吸和全球碳循环也具有重要作用。
土壤呼吸是指土壤中微生物和植物根系通过呼吸作用释放的二氧化碳。
研究表明，土壤微生物群落的丰度和多样性与土壤呼吸速率密切相关。
较高的微生物丰度和多样性通常意味着更高的土壤呼吸速率和碳排放量。
此外，微生物的活动也受到土壤温度和湿度等环境因素的影响。
随着全球气候变暖，土壤微生物群落结构可能发生变化，进而影响土壤呼吸和全球碳循环。
同时，土壤微生物群落结构对全球氮循环和磷循环也有影响，进而间接影响碳循环。
土壤中的氮和磷是微生物生长和代谢所必需的营养元素。
研究发现，氮和磷的利用效率不同的微生物群落具有不同的氮磷比。
这些差异导致微生物在不同的环境条件下对氮和磷的吸收和释放速率不同，进而影响土壤有机碳的分解和氮磷循环的速率。
因此，土壤微生物群落结构与全球氮磷循环的关系密切，进而影响全球碳循环。
另外，人类活动对土壤微生物群落结构的改变也会影响全球碳循环。
微生物生态学中的菌群分析
微生物生态学中的菌群分析微生物生态学是研究微生物群落在地球上的分布、作用和相互作用的学科。
菌群分析是微生物生态学中最常用的方法之一，其主要目的是研究不同环境中微生物的种类、数量和群落结构，为环境研究及微生物资源的开发利用提供科学依据。
本文将围绕菌群分析的原理、方法和应用等方面进行阐述。
一、菌群分析的原理菌群分析的原理基于微生物在自然环境中存在着复杂的相互作用关系，菌群特征与环境因素之间存在着密切的关联。
不同环境条件下，微生物群落的组成、数量和种类都不同，且在不同时间和空间上也存在着变化。
因此，菌群分析的主要原理是通过研究微生物之间相互作用和与环境因子的关系，揭示微生物群落结构与功能之间的关联。
二、菌群分析的方法1. 高通量测序技术高通量测序技术是目前菌群分析中最常用的方法之一。
其基本原理是通过高通量测序仪读取大量微生物基因组DNA或RNA样品的序列信息，将其比对到数据库中并进行分析，从而确定微生物群落的组成和数量。
高通量测序技术因其高灵敏度和高精度等特点，已成为研究微生物群落多样性和功能的首选方法。
2. 扫描电镜技术扫描电镜技术主要应用于观察微生物群落的形态结构和形态特征。
该技术使用高能电子束扫描样品表面，产生反射电子和二次电子信号，通过检测信号的强度和位置来获得样品表面的形态信息。
扫描电镜技术可以对单个微生物细胞进行成像，并可观察到该细胞的形态、细胞壁等结构特征，有助于识别微生物类型并确定其形态特征。
3. 蛋白质组学技术蛋白质组学技术主要应用于检测微生物群落中存在的蛋白质，从而确定微生物群落结构和功能的关系。
该技术通过质谱仪检测样品中的蛋白质含量和分子量等信息，并通过比对数据库来鉴定样品中的蛋白质种类和数量。
蛋白质组学技术可以检测到微生物群落中存在的少量和低级别的蛋白质，有助于了解微生物群落的代谢、生长和信号通讯等方面的信息。
三、菌群分析的应用1. 土壤微生物菌群分析土壤微生物是土壤中包括细菌、真菌和原生动物等多种生物群落。
植物根际微生物群落结构和功能变化的分析及其对土壤质量的影响
植物根际微生物群落结构和功能变化的分析及其对土壤质量的影响随着农业生产的进一步发展，土壤质量逐渐受到大众关注。
任何一种土壤中都存在着大量的微生物，它们在起着至关重要的作用。
而这些微生物又分为许多种类，其中最有代表性的就是根际微生物，它对土壤质量和作物的生长发育都有着重要的影响。
本文就植物根际微生物群落结构和功能变化的分析及其对土壤质量的影响进行了探讨。
一、植物根际微生物的种类及其功能根际微生物是指生活在植物根际内的一类微生物，包括许多不同的类型，如细菌、真菌、放线菌、放线生物和叶腋生物等。
它们和根系互动，在植物生长上起到了至关重要的作用。
细菌是最常见的根际微生物，它们通过多种途径对植物生长发育产生积极的影响。
比如，一些细菌可转化无机氮和磷为植物可吸收的有机化合物，这对植物的生长发育具有至关重要的作用；还有一些细菌能够产生激素，如生长素和赤霉素，促进植物生长发育。
真菌是根际微生物中的重要一种，它们以分泌酶类来帮助植物摄取磷、铁等元素，并通过为植物的幼嫩根系提供保护，加强植物与有害真菌之间的竞争。
二、植物根际微生物群落结构和功能变化根际微生物群落结构和功能变化，是指在一定环境条件下，根际微生物种类数量、比例和功能发生变化的过程。
这些变化可能来自于内部或外部因素的影响，例如温度、湿度、pH值等。
以细菌为例，其群落组成和数量在不同环境下具有很大的区别，从而影响到植物生长和生产。
植物生长素往往是植物发育受到影响的关键因素。
因此，以植物生长素合成酶基因的定量为参数，建立了根际微生物对稻田生长素合成酶基因的影响和相关生物过程的模型，发现生长素合成酶基因存在一种宏基因类型，其中包含了许多微小的完整酶基因。
它们的存在表明在根际微生物的作用下，某种群落的微生物可以合作学习，共同完成某种生物过程。
三、植物根际微生物对土壤质量的影响植物根际微生物既对土壤质量有直接的影响，也对土壤的生物学、化学、物理性质和营养循环产生巨大影响。
微生物群落结构与环境因素相关性分析
微生物群落结构与环境因素相关性分析随着生物技术的快速发展，微生物群落结构与环境因素相关性分析成为了研究的热点之一。
微生物群落是指在特定环境中共存的微生物的总体，它对环境的变化非常敏感，能够反映环境的健康状况和改变。
因此，了解微生物群落结构与环境因素之间的关系对于环境保护和生物多样性的监测具有重要意义。
一、微生物群落结构的分析方法为了研究微生物群落结构与环境因素之间的关系，首先需要对微生物群落进行分析。
常用的微生物群落分析方法包括：1. 16S rRNA基因分析：通过对微生物群落中16S rRNA基因的测序和分析，可以获得微生物群落的丰富度、多样性和组成。
2. 基于功能基因的分析：通过测定微生物群落中特定功能基因的存在情况，可以了解微生物群落的功能潜力和代谢能力。
3. 元基因组学分析：通过测序微生物群落中的全基因组DNA，可以研究微生物群落的功能特征和代谢通路。
二、环境因素对微生物群落结构的影响环境因素是影响微生物群落结构的重要因素之一。
多种环境因素，如温度、pH 值、适宜的营养条件、氧气含量、盐度等，都能够显著影响微生物群落的结构和组成。
下面以土壤微生物群落为例，具体分析环境因素对微生物群落结构的影响。
1. pH值：土壤的酸碱度通过影响微生物的生理特征和代谢途径，进而影响微生物群落结构。
不同pH值环境下，微生物群落的物种组成和丰度差异明显。
2. 湿度：湿度对土壤微生物的生存和代谢有着重要的影响。
适宜的水分含量可以促进微生物的生长、繁殖和代谢，从而影响微生物群落的结构。
3. 温度：不同温度条件下，微生物的生理特征会发生显著变化，从而导致微生物群落结构的差异。
4. 营养物质：营养物质是微生物生长和代谢的重要来源。
土壤中不同种类和含量的有机和无机物质会影响微生物群落结构的组成和多样性。
三、微生物群落结构与环境因素的相关性分析方法微生物群落结构与环境因素之间的相关性分析是揭示微生物群落对环境变化的响应机制的重要方法之一。
微生物群落结构分析采样指南
汇报人：停云 2024-01-18
目录
• 引言 • 微生物群落结构基础知识 • 采样前准备 • 采样方法和技巧 • 样品处理和保存 • 数据分析和解读 • 注意事项和常见问题解答
01
引言
目的和背景
揭示微生物多样性
微生物群落广泛存在于自然环境和人体内外，其多样性对维持生态平衡和人类健康至关重要。通过采 样和分析，可以揭示微生物群落的组成、结构和功能，进而了解其与环境和宿主之间的相互作用。
注意事项
确保采样过程无菌操作，避免交叉污染；对于内部采样，需注意 生物体的安全性和伦理问题。
05
样品处理和保存
样品的标记和记录
样品编号
为每个样品分配唯一编号，确 保样品信息的可追溯性。
采样日期和时间
记录采样的具体日期和时间， 以便后续分析时考虑时间因素 。
采样地点和环境描述
详细记录采样地点及环境信息 ，如土壤类型、气候条件等。
样品的预处理和分析前准备
去除杂质
对样品进行初步处理， 去除其中的石块、植物
残渣等明显杂质。
均质化处理
对样品进行均质化处理 ，如研磨或搅拌，以确 保微生物群落的均匀分
布。
样品分装
根据实验需求，将预处 理后的样品分装至适当 的容器中，以便后续分
析使用。
分析前准备
根据具体的分析方法， 对样品进行相应的前处 理，如DNA提取、PCR
选择合适的采样方法和工具
采样方法
根据研究目标和采样环境，选择 适当的采样方法，如土壤采样、 水样采集、空气微生物收集等。
采样工具
选用无菌、无污染的采样工具， 如无菌铲、无菌瓶、无菌滤膜等 ，确保采集到的样品不受外界污
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16S rDNA analysis
右图：发主要的四个门（放线菌门、 alpha变形菌、gamma变形菌、beta变形 菌门）在成长期、开花期、转基因栽培种 根际土壤、非根际土壤的丰度差异
左图：不同时期样品在门/纲水平上物种组成差异
16S rDNA analysis
1. 室外空气中微生物群落的多样性比
5. 微生物群落结构分析
6. 微生物群落结构和功能分析 7. 分享微生物相关经典案例、精品文章和项目设计经验
1. 微生物组学研究趋势与方法 2. 单菌的序列组装和功能分析---DNA水平 3. 单菌转录组和小RNA分析---RNA水平 4. 微生物群体项目分析
5. 微生物群落结构分析
6. 微生物群落结构和功能分析 7. 分享微生物相关经典案例、精品文章和项目设计经验
微生物群落结构分析
Outline
Background
Data processing
01.trim.seq
02.unique 03.align
04….. 05…..
Data processing
Mothur 处理数据中常用命令介绍
Advanced analysis
1. 微生物组学研究趋势与方法 2. 单菌的序列组装和功能分析---DNA水平 3. 单菌转录组和小RNA分析---RNA水平 4. 微生物群体项目分析
16S rDNA analysis
1. 马铃薯种植区土壤以放线菌纲
1. 取6个马铃薯品系，3个发
育阶段（生长期、成熟期、 衰亡期）的根际与非根际土 通过16S V4区的高 通量测序对不同品系 ，不同发育阶段的马 铃薯根际土壤与非根 际土壤的微生物群落 多样性。 壤，共20份样品；
、α-变形菌纲及一未知微生物 类群为主要优势菌； 2. PCA分析结果表明不同生长时
Data format
Fasta
Names
Example
/share/home/TEACHER/Demo/20130716/16S/Bin/mothur_v.1.25.0/mot hur/mothur "#trim.seqs(fasta=../0.Data/Denoise.fasta,name=../0.Data/Denoise.na mes,oligos=../0.Data/BarcodePrimer.oligos,pdiffs=2,bdiffs=1,maxam big=0,maxhomop=8,minlength=200,maxlength=1000,processors=8)"
environments,the gut etc.)
Diversity
genetic material. >99% uncultured Unbiased
Metagenomics
16s rRNA
ITS/18S rDNA
Metagenome
Meta
Meta-transcriptome
Metavirus
16S rDNA analysis
左图：目水平机械通风的室内、自然通风的室内和室外
右图：三种不同环境中的病原菌序列
16S rDNA analysis
ITS
ITS：Internal Transcribed Spacer， medium conserved sequence and the range of length form 650 to 750 bp.
Research strategy
16s rDNA/ITS
Taxonomic Classification
PCR & Sequencing
Species Composition & Abundance
Data processing
Comparative Analysis
Human Microbiome Project
Outline
Background
Research strategy
Operating & Result
16S rDNA
454 ，400bp， V4 V6 454 ，400bp，V3 V5 454 ，400bp， V1 V3
V1 V2 V3 V4 V5 V6 V7 V8 V9
Hiseq 2000, 150PE
Database
16S database
Ribosomal Database Project (RDP) greengenes SILVA rRNA database
ITS database
UNITE database
ITS2 database
Data format
454 file: sff
期的根际与根外土壤环境有明
显差异； 3. 品系效应在生长期对根际微生 物较成熟期和衰亡期明显； 4. 根据根际微生物可将6个不同 品系样品聚为2组，与基于马 铃薯块茎淀粉含量的分组结果 一致。
2. 提取土壤DNA，进行16S
rDNA的V3V4区扩增测序； 3. 比较不同品系生长时期，不 同品系对根际与非根际土壤 微生物多样性差异。
Hiseq 2000, 100PE
Species Composition
Species Abundance
16S rDNA s
Figure 1 Analysis of the composition of bacterial communities in Drosophila species. (a) Prevalence of 5 bacterial taxa in 21 Drosophila strains. (b) Abundance of bacterial phyla in pyrosequence analyses. (c) Abundance of dominant species in Drosophila species set-1 based on 97% similarity OTU assignments. (d) Abundance of dominant species in Drosophila species set-2 based on 97% similarity OTU assignments.
材料背景 研究思路
Result & discussion Inceoglu, O., W. A. Al-Soud, et al. "Comparative analysis of bacterial communities in a potato field as determined by pyrosequencing." PLoS One 6(8): e23321.
气流速、相对湿度和温度）和微生
物群落的多样性和组成有关。病原 菌的丰度在室内比室外高，空气流 速低和相对湿度低的室内病原菌的 丰度较高。
3. 不同样品间的差异分析
研究思路
结果讨论
Kembel, S. W., E. Jones, et al. "Architectural design influences the diversity and structure of the built environment microbiome." ISME J 6(8): 1469-79.
NTS
rDNA-repeat
NTS
rDNA-repeat
ETS1
18S rDNA
ITS1
5.8S rDNA
ITS2
28S rDNA
ETS2
ITS
ITS analysis
CloVR-ITS: Automated internal transcribed amplicon sequence analysis pipeline for thespacer characterization of fungal microbiota. Microbiome. 2013
R:
Mothur: /
Qiime: Pintail: /Pintail/ Bellerophon: .au/bellerophon/bellerophon.pl Others: DOTUR, Chimera_Check.
Research strategy
Operating & Result
Metagenomics
Metagenomics
Tradition
Culture-based methods
Non-Culture-based methods Modern Environment(soil,seawater, extreme Comprehensive analysis of organisms’
How to achieve data processing？
Actual Operation
Outline
Background
Research strategy
Actual Operation
Tools
EstimateS: /estimates
室内高，自然通风比机械通风的高 ； 1. 记录取样时的条件：空 气温度、相对湿度、绝 对湿度和空气流速； 2. 室内空气微生物群落中存在一些室 外没有或者很少的微生物分类，这 些分类和人类潜在的病原菌相关； 3. 建筑的特征（特别是通风方式、空
室外、机械通风和自 然通风的室内空气。 材料背景
2. 对提取的样品进行16S rDNA分析物种组成和 丰度；