土壤微生物检测多样性研究中存在的问题

土壤微生物检测针对土壤微生物，以往的研究大多聚焦于土壤微生物组成和多样性的空间分异，而对土壤微生物组成和多样性在时间尺度上的动态变化研究较少。人们观测到很多微生物介导的生物地球化学过程均显示出季节性的动态变化，如温室气体排放通量。然而，这些过程与微生物群落组成和多样性动态变化的关系尚不清楚。在为数不多的一些有关土壤微生物群落动态变化研究中，人们利用时间序列分析和高通量测序技术发现，一些生态系统中土壤微生物群落组成和多样性也表现出明显的动态变化，动态变化的模式因不同生态系统而有差异。揭示这种动态变化的规律及其驱动机制，可以使我们深入认识微生物群落的演替规律及其对生态系统功能的影响，以揭示群落稳定性与生物多样性的关系，预测微生物群落对气候变化、土地利用等扰动的响应。为了阐明这些科学问题，需要在不同生态系统中对土壤微生物类群和基因组进行长期、定点、动态的监测;同时结合其他生态过程监测，如生物地球化学过程、植被演替等，以便获得系统的监测数据。
zui近十余年来，上开展了一些微生物组计划，这些计划主要研究人体肠道微生物，如美国人体微生物组计划，加拿大微生物组研究项目，以及欧盟和中国的MetaHIT项目等，尚缺乏专门针对土壤微生物组的研究计划。当前进行的微生物组计划没有能够很好地合作，研究方法也不统一，虽然各研究计划都产生了大量数据，但很难对这些数据进行整合。如利用16SrRNA基因鉴定微生物群落组成时，由于扩增16SrRNA基因的引物不同，zui终获得的数据差异很大。另外，由于生物信息处理序列数据时选择的方法不同，估算微生物物种数量时可以差2–3个数量级。因此，对微生物多样性监测工作而言，标准化的研究流程和研究方法对于数据的可比性非常重要。然而，每种研究方法均有其局限性，过分追求标准化也不利于创新。如用常用的16SrRNA引物515F/806R调查土壤微生物组成时，可能会漏掉一些*的菌群。在第三代单分子测序技术的应用中，在对测序数据进行处理时，进行OTUs（可操作分类单元）分类是关键的一步，目前虽然有很多计算方法，但没有一种方法适用于所有的情况，所以要根据研究问题、数据情况和计算能力来选择。
对于土壤微生物检测多样性监测的系统研究工作很少，可以借鉴的经验和标准方法不多。美国科学家发起的地球微生物组计划，目的是为了在尺度上收集各种生态系统中微生物群落组成和分布的数据，分析微生物群落的分布、多样性及形成机制。项目组织者也建议了一些标准化的方法，涉及实验室技术和数据处理流程等，如土壤基因组DNA提取建议用MoBio公司生产的PowerSoilDNAisolationkit。该试剂盒采用的方法能有效地去除土壤中的PCR抑制物，可重复性强，但价格较高。PCR扩增16SrRNA基因建议用515F/806R,利用Illumina公司的Miseq或Hiseq平台测序;18SrRNA基因的扩增推荐用Euk_1391f和EukBr，扩增子序列的处理推荐用QIIME平台。该项目还对如何提供与样品对应的宏数据也进行了一定的规范。但是，该项目没有对野外取样过程和土壤微生物动态监测的方法提出建议。这种人为设定的标准方法和流程还存在一些问题。笔者认为，在土壤微生物多样性监测方法的选择上，要根据不同的研究目的制定出多套研究方案，同时及时采用新的技术手段，鼓励探索新的方法。
土壤微生物检测多样性监测将产生大量数据，加上已经发表的数据，数据的管理、查询和挖掘亟需建立大数据平台，然而至今尚没有系统的土壤微生物多样性的数据集和专业数据库。如何实现微生物多样性监测数据的共享，涉及到很多具体问题需要解决，如数据整合和共享方式、数据库运行支撑体系、知识产权保护问题等等。
另一方面，为了研究一个物种的生理、生化特征及工业应用，分离纯化功能微生物是非常重要的。至今，环境中的大多数微生物物种还不能在实验室中被分离培养出来，这是当前土壤微生物多样性研究中存在的一个大问题，因此，传统分离培养方法的改进也是土壤微生物多样性研究的重要课题。利用监测获得的数据可以得到物种的分类信息，把要分离的物种与已分离菌种的生长条件进行比较，通过查询已知培养基数据库（如KOMODO），可以为分离新菌种推荐培养基和培养条件。而一株重要功能微生物的获得，可以对人类社会产生巨大的影响。
综上所述，建议在国家层面上顶层设计相关重大项目，围绕土壤微生物多样性监测、微生物资源挖掘、分离培养新技术和微生物资源大数据共享平台建设等方面重点开展研究。