6.2 研究微生物群落的工具

研究微生物群落如何随着时间的推移而变化以及在特定环境条件下哪些生物群体占主导地位的新技术越来越多地为预测系统组成部分内的不良后果提供了机会，从而导致设计更好的传感器和测试有效监测鱼类或植物培养中的微生物群落. 例如，各种 “组学” 技术 —— 元基因组学、元基因组学、社区蛋白质组学、代谢组学 —— 正在越来越多地使研究人员能够研究 RAS、生物过滤器、水培和污泥消化系统中微生物群的多样性，这些系统的取样包括整个微生物组件，而不是一个给定的基因组。 近几十年来，元基因组学和超细胞组学技术对原核多样性的分析有了极大的帮助。 特别是，16S rRNA 基因的扩增和序列分析是基于细菌 DNA 中中性基因序列侧翼核糖体操作子的种内保存，被认为是细菌分类和鉴定的 “黄金标准”。 这些数据还用于微生物学，跟踪流行病和地理分布，并研究细菌种群和系统发育（Bouchet 等人，2008 年）。 该方法可能是劳动密集型和昂贵的，但最近的自动化系统虽然在物种和菌株层面上不一定具有歧视性，但为应用于水生生物环境提供了机会（Schmautz 等人，2017 年）。 最近的评论总结了 16S rRNA 与 RAS 相关的应用（马丁内斯-波查斯和巴尔加斯-阿尔沃雷斯 2017；蒙吉亚-弗拉戈佐等人 2015；鲁朗瓜和韦德海姆 2015）。 在 RAS 和水培中发现的细菌以外的微生物的元基因组学研究进展依赖于类似的方法，但使用 18S（真核）、26S（真菌）和 16S（酵母）rRNA 克隆文库来表征这些微生物群的特征（马丁内斯-Porchas 和 Vargasalbores，2017 年）。 例如，详细的 rRNA 文库也被用于水培学中，用于描述根圈微生物群落的特征（Oburger 和 Schmidt，2016 年）。 这些文库在水生学中特别有用，因为它们可以检查细菌、古细菌、原生动物和真菌等微生物的组合情况，并就系统内的变化提供反馈。

自动化下一代测序（NGS）的发展也使得对种群样本中的基因组进行数据分析（元基因组学），可用于确定微生物群的特征、揭示时空系统发育变化和痕量病原体。 RAS 的应用包括跟踪养殖鱼类中的某些细菌菌株，消除携带毒力菌株的种群，同时保留其他菌株的载体（回顾：（Bayliss 等人，2017 年）。 元基因组学方法可以独立于培养和扩增，这使得以前不可培养的物种能够被知晓并对其可能的影响进行调查（马丁内斯-波查斯和巴尔加斯-阿尔沃雷斯 2017）。 新一代测序技术通常用于植物微生物学，以及后续元链组学分析。 一个很好的例子是首次对根际微生物群落进行的全植物研究，其中根部渗出物与发育阶段相关（Knief 2014）。

在特定环境条件下研究特定细菌物种或菌株时，蛋白质组学是最有用的，以便描述其致病性或可能在共生中发挥的作用。 尽管如此，在先前的元基因组学研究的基础上，利用各种生物化学技术来识别分泌的蛋白质或共生微生物群落的基础上，社区蛋白质组学也取得了进展，而且随着 NGS 技术的能力，还有很多可能性迅速推进 (审查:(刀等人. 2011).

代谢组学描述了基因的功能，但这些技术不是有机物特异性或依赖序列的，因此可以揭示各种代谢物，这些代谢物是生物、组织、细胞或细胞室中细胞生物化学的最终产物（取决于分析哪些样本）。 尽管如此，对特定环境条件下微生物群落的代谢组的了解（微观物）表明，营养物质的生物地球化学循环和扰动的影响很大。 这些知识描述了各种代谢途径和样本中存在的代谢物范围。 随后的生物化学和统计分析可以指出生理状态，反过来又可能与环境参数相关，而这些参数可能无法从基因组学或蛋白质组学方法中得到明显。 尽管如此，将代谢组学与基因功能研究相结合，在进一步推动水肺学研究方面具有巨大的潜力；见回顾（van Dam 和 Bouwmeester 2016）。