16SrRNA基因技术在环境科学领域中的应用_乐毅全

·综　述·

收稿日期:2003-04-10作者简介:乐毅全(1962-),男,浙江宁波人,现就读于同济大学环境工

程专业博士研究生,讲师。

16S rRNA 基因技术在环境科学领域中的应用

乐毅全,顾国维

(同济大学污染控制与资源化国家重点实验室,上海　200092)

摘要:随着分子生物学的发展,16S r RNA 基因技术被逐渐应用到环境科学领域中。目前在环境保护和治理中,该技术主要被

用于鉴定污染物的生物降解菌和分析环境样品中的微生物群落多样性,由于它不必将微生物培养分离出来,也就避免了在培养过程中可能出现的微生物丢失的情况。本文对16S r RN A 基因技术及其在环境科学领域中的应用现状和发展作了一简要介绍,并对16S r RNA 基因技术存在的不足进行了讨论。关　键　词:16S r RNA 基因序列;DNA 扩增;多样性分析

中图分类号:Q 938 文献标识码:A 文章编号:1001-3644(2003)06-0001-04

The Application of 16S rRNA Gene Technology on Environmental Sciences

LE Yi -quan ,GU Guo -w ei

(National K ey L aboratory of Pollution Control and Resources Reuse ,

Tongji University ,S hanghai 200092,China )

A bstract :With the development of mo lecular biology ,the 16S rRNA gene technique has been gradually used in environmental sci -ences .N ow ,this technique has been mainly applied to identify the pollutant -biodegradation bacteria and to analyse the diversity of mi -croorganism community in enviro nmental samples .Because it is unnecessary to culture the microorg anisms by traditional metho ds ,it can avoid the situation of losing the microorg anisms during the culture .I n this paper ,it briefly introduces that the development and the use of 16S rRN A gene technique on enviro nmental sciences .T he disadvantage of 16S rRNA gene technique is also discussed .Key words :

16S rRNA g ene sequence ;DNA amplifica tio n ;diversity analysis 1　微生物体内的16S rRNA 基因及其应用

核糖体存在于每个合成蛋白质的细胞中,在原核微生物中,核糖体是分散在细胞质中的亚微颗粒,细菌的核糖体由三种相对分子量不同的rRNA 组成,分别为5S rRNA 、16S rRNA 和23S rRNA 。其中16S rRNA 的长度在1475-1544核苷酸之间,含有少量修饰碱基,16S rRNA 的结构十分保守。

Pace 等[1]

在20世纪80年代首先利用rRNA 基因(rDNA )来确定环境中的微生物,通过对5S rRNA 基因的序列分析来研究微生物的生态和进化,由于5S rRNA 基因相对较小(约120个核苷酸),携带的信息较少,而随后开展的16S rRNA 基因序列可以携带更多的信息,效率更高。

以16S rRNA 基因为基础,结合DNA 扩增(PCR )技术,近年来发展出一种新的分子生物学手

段,即通过对16S rRNA 基因的DNA 序列分析,可以分析细菌的种类信息,并且已经逐渐成为微生物分类和鉴定中非常重要而且有用的指标和手段。目前在生物学上,有关16S rRNA 基因的工作很多,集中在以下两个方面:

1.1　对未知生物的分类鉴定

相对于传统的微生物形态、生理生化指标,DNA 由于其稳定性和保守性,逐渐为人们所关注,随着生物学研究手段的发展,把生物的DNA 信息作为生物分类鉴定的指标已经成为可能,如G +C %、DNA 杂交、DNA -rRNA 杂交和16S rRNA 碱基顺序分析等。

rRNA 由于含量大,已成为细菌系统分类学研究中最常用的方法,其中16S rDNA 序列的相对稳定而又高度保守,可以为细菌鉴定提供相对稳定可靠的信息。目前,已有10000种以上的细菌的16S rDNA 序列被报道,并且每年以很快的速度补充到Genebank 中。利用特异的引物对未知的来自细菌的DNA 样品

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1—四川环境2003年第22卷第6期

DOI :10.14034/j .cn ki .schj .2003.06.001

进行PCR扩增,构建16S rDNA基因文库,通过测序,再与已知的16S rDNA序列进行同源性比较,就可以对未知细菌进行鉴定。

1.2　系统发育(亲缘关系)的研究

根据16S rDNA序列的相似性,可以构建细菌各个种属的系统发育树,比较细菌种属之间亲源关系的远近,为研究细菌的系统发育提供有力的证据。

如链霉菌是一大类重要的放线菌群,在自然界分布广泛,但长期来,其分类主要依据表型特征,造成混乱。而分子生物学方法为改变这种状况带来可能。Rashidian等人(1999)[2]以16S rRNA基因全序列作为分子指针对青色链霉菌(S.craneys)种群进行系统进化分析,指出了前人在分类上的错误;我国的徐平等人[3]用包含16S rRNA基因V-2高变区在内的120bp长核苷酸序列,对300多株已知该区段序列的链霉菌进行分析,得到较为完整的系统进化树。

在其他种类的细菌分类研究中,16S rRNA基因分析,同样得到广泛的应用。东秀珠等[4]用16S rD-NA的同源性揭示了双歧杆菌与有关细菌的关系。赵庆新等[5]研究了鲤鱼科8种鱼中9种肠道菌群的分布,并利用从GenBank中调取的这9种肠道细菌菌属的43个种或亚种的16S rDNA序列构建NJ树和M P树,来研究它们的系统演化关系。另外,根瘤菌的系统发育研究中,16S rDNA的基因测序,也成为重要的手段[6～8]。

16S rRNA基因技术,同样在微生物多样性的分析中得到广泛应用。如将该技术与ARDRA(Ampli-fied rDNA Restriction Analysis)技术结合,依据原核生物rDNA的保守性,将扩增的rDNA进行酶切,然后通过酶切图谱来分析菌间的多样性,该法无需分纯试样,简便、高效,是一种很有发展前途的方法[9-10]。应用该方法对非豆科植物共生的结瘤固氮放线菌Frank ia菌的多样性进行研究,从酶切图谱上可以看出在Frankia菌间存在极其丰富的遗传多样性[11]。

2　16S rRNA基因技术在环境科学领域中的应用

在环境科学研究工作中,在很多情况下,我们希望了解环境中存在的微生物,包括其种类、组成及在环境中的变化动态。而传统的以培养为基础的微生物分离鉴定技术,在这方面存在很大的局限,不仅工作量大,而且在环境中有许多微生物至今无法被培养出来。因此,对于自然界各种生境中的微生物种类的信息,我们所知甚少,而这些信息对于环境保护和治理又是十分重要的。如何尽可能多地了解环境中的微生物信息,甚至是全部的信息,成为一个当前环境科学研究中的一个难点。而16S rRNA基因技术的出现,可以有效地解决上述难题,因此,16S rRNA基因技术正在被广泛应用到对环境样品中微生物的研究。

目前在环境科学领域中,16S rRNA基因技术的应用主要有以下两个方面:

2.1　鉴定生物降解菌

在环境保护和治理中,我们需要得到在环境中对污染物质起降解作用的微生物种类信息,这就需要对生物降解菌进行鉴定,由于有些微生物难以培养,传统的依赖于分离培养方法得到的微生物种类信息就有可能是不完全的。

Greiselbrecht等(1996)用该技术对来自海洋沉积物的萘降解菌N3-PA321进行鉴定,发现它与模式菌Cyclolqsticus pugetii亲缘关系最近[12]。陈亚丽等人(2002)利用16S rDNA序列分析,对分离自土壤的甲基对硫磷降解菌进行鉴定,结合生理生化特性,鉴定为假单胞菌属(Pseudomonas sp.WBC-3)[13]。刘涛等(2002)从炼油厂废水中分离得到苯酚高效降解菌L68菌株,从形态、生理生化以及16S rDNA同源性等指标分析鉴定其为Burkholderia cepacia(洋葱柏克霍尔德氏菌)[14]。

2.2　研究某一特定环境中微生物的区系组成,进而了解其种群动态,研究微生物的多样性

在环境保护研究工作中,我们需要用细菌的多样性来指示环境污染,或者是探索环境污染与细菌群落动态变化的关系等,这些都需要得到环境微生物群落的结构和功能的多样性信息,其中包括微生物在基因层次上的多样性和在种类组成上的多样性,也就是要对环境中微生物的群落结构进行多样性分析,利用微生物的16S rDNA信息,我们可以不经过分离培养微生物,而直接从环境中提取DNA,经过PCR扩增后,通过对16S rDNA的序列分析,而对环境中存在的微生物群落作出分析。

PCR-RFLP、PAPD等方法也被经常用于对混合环境样品中的微生物的群落结构分析。这些方法的敏感性更高,可以在群落水平上提供可信的基因型的信息。但对于复杂的微生物群落进行DNA分析时,分辨率过高的方法会使得到的信息量太大,不利于分析。从目前情况来看,DGGE或DNA复性的方法,在区