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摘要 土壤微生物主導著包括植物生長和碳等元素循環(huán)在內(nèi)的各種重要過程。 但是大部分土壤微生物目前還不能分離培養(yǎng)，它們的功能還處在未知狀態(tài)。 盡管現(xiàn)在宏基因組測序能夠揭示微生物的物種信息和功能基因信息，但是這包含了很多不同生理狀態(tài)下的微生物DNA。 而且通過宏基因組學基因的功能只能預測微生物群落的潛在能力。 而宏表型組整合了微生物組的基因潛力和對資源的利用，將會是下一個用于研究的前沿方法。 在這里我們將舉一些例子幫助理解土壤宏表型組。
1. 什么是宏表型組 圖1 宏表型組 我們定義宏表型組（Metaphenome）為微生物基因組（宏基因組）編碼表達的功能和環(huán)境（資源可利用性、空間、生物性和非生物性限制）之間的“和”。 據(jù)我們所知，宏表型組這個詞之前只被用過一次——Doolittle將宏基因組定義為群落的基因組，通過表達后成為“宏表型組”（Doolittle et al., 2010）。 土壤宏表型組取決于土壤宏基因組編碼的基因總潛能和土壤生物群落的生理狀態(tài)、對資源的利用、與其他生物體和信號分子的聯(lián)系、響應環(huán)境信號后的基因潛能。 所以，宏表型組涵蓋了整個組學（Omics）領域（圖1），既包括宏基因組，也包括宏轉錄組（表達的基因）、宏蛋白組（翻譯的蛋白）和宏代謝組（代謝產(chǎn)物）。 高度結構化的土壤環(huán)境從根本上影響了土壤宏表型組，從而導致了電子受體和氧化還原化學反應的可利用度和在時間和空間上的強烈變化。 因此，土壤宏表型組的測量和預測還存在相當大的挑戰(zhàn)。為了弄明白宏表型組，我們將總結當前的研究狀況和知識缺口，并討論宏表型組的未來發(fā)展。
2. 土壤結構和連通性(Connectivity)對土壤宏表型組的影響 了解不同生態(tài)系統(tǒng)中微生物群落的功能對理解宏表觀組非常重要，其中復雜的土壤環(huán)境非常具有挑戰(zhàn)性。 由于土壤中碳以及其他資源的斑塊化分布和高度動態(tài)性，土壤環(huán)境呈現(xiàn)出空間上的異質(zhì)性，導致了適合微生物群落生長的熱點（比如說在團聚體或者根際）的不均勻分布。 這些熱點相當于一個個適合微生物生長的微型“孤島”，微生物聚居在這些“孤島”上。 不同“孤島”中的微生物通過不同的機制相互作用，各自演化，形成了一定的空間隔離。這樣的空間隔離可能是導致大部分土壤棲息地中微生物多樣性極高的原因。 要了解微生物和資源的小尺度分布需要預測微生物群落中的物種生理機能和代謝相互作用，而這些組成了土壤宏表型組。 目前大尺度上的測量手段（比如土壤呼吸）掩蓋了各個獨立的“孤島”中相互作用的微生物之間發(fā)生的分子反應（圖2）。比如說當土壤變得干旱時，微生物的擴散更加受到限制，微生物被更大程度地限制在“孤島”中。 環(huán)境變化如何影響微生物代謝功能在種群內(nèi)的分配或者用于調(diào)控其他種群，以及微生物對環(huán)境變化的這些響應如何與土壤宏表型組聯(lián)系起來，還處于知之甚少的狀態(tài)。 圖2 生物因子和環(huán)境因子 對土壤宏表型組的影響
3. 微生物生理狀態(tài)對土壤宏表型組的影響 微生物個體在生理層面上響應環(huán)境變化的總和（包括基因調(diào)控和細胞間的相互作用）就是群落宏表型組對環(huán)境變化的響應，而這些響應又是群落的基因表達對資源可利用性作出反應的基礎。 在基因表達鏈的每一步中，都包含微生物組生理狀態(tài)的不同信息，宏轉錄組能捕獲群落對環(huán)境短暫變化的響應，而宏蛋白組能體現(xiàn)群落對一個時期內(nèi)環(huán)境的總體狀態(tài)的響應。 土壤微生物個體對環(huán)境變化的響應受到基因的調(diào)控，從而導致一系列的生理變化，包括細胞膜脂肪酸的變化、特殊蛋白的產(chǎn)生（比如冷/熱休克蛋白）和呼吸作用的下降。 在不同的環(huán)境條件下被表達的基因不同，調(diào)控一些特定的代謝途徑的基因只有在需要的時候才會表達，而宏基因組測序測的是包括未表達的基因在內(nèi)的所有基因。一般來說，當微生物進入低活動狀態(tài)或者休眠狀態(tài)時，宏基因組對宏表型組的貢獻要比在高代謝狀態(tài)時低得多。 4.群落相互作用對宏表型組的影響 在群落水平，土壤宏表型組涵蓋了群落中所有成員的總代謝產(chǎn)物。 比如纖維素的降解需要一系列的微生物來完成，不同微生物降解纖維素降解過程中產(chǎn)生的不同中間產(chǎn)物。當一種微生物具有將纖維素降解為葡萄糖的所有酶時，其他微生物肯定會來競爭纖維素降解過程中的第一步中間產(chǎn)物，從而可能影響到這種微生物的纖維素相關基因的表達（Fitness）。 纖維素或者其他碳源物質(zhì)的降解過程或者其他土壤過程中，土壤微生物的代謝相互作用形成了既定的宏表型組，但這其中的細節(jié)目前還是未知。 即使將宏基因組學應用得再深入，考慮到在給定生態(tài)系統(tǒng)中環(huán)境條件的變化以及基因的潛在表達，去弄清楚相互作用的生物體對環(huán)境條件的生理響應如何定義涵蓋這些響應的宏表型組，依舊是一個極大的挑戰(zhàn)。 此外生態(tài)網(wǎng)絡理論可用于預測物種的相互作用和單一微生物群落的穩(wěn)定性。 微生物的相互作用包括從共生微生物的代謝合作關系到對有限的營養(yǎng)物質(zhì)的競爭關系（圖3）。 土壤微生物通過一系列的化學信號分子與其他微生物以及環(huán)境進行交流。土壤微生物群落內(nèi)成員之間的特定的代謝相互作用和信號交流，包括跨營養(yǎng)級的交流，目前研究很少。 土壤具有很高的生物多樣性，包括細菌、古菌、真菌、病毒、植物、昆蟲、原生動物等等。這些不同的土壤生物在食物網(wǎng)中相互作用、分解復雜的有機化合物以及交換營養(yǎng)物質(zhì)。 為了推動土壤微生物組研究的發(fā)展，需要創(chuàng)新的方法來揭示極度復雜的土壤微生物組內(nèi)無數(shù)相互作用的細節(jié)和不同生物界內(nèi)/間的相互作用——也就是土壤宏表型組。 圖3 微生物群落類型和分子相互作用
5. 對宏表型組的未來展望 宏表型組可用于解開復雜的微生物代謝相互依存關系。 微生物代謝相互作用的復雜性會導致單個生物體有不同的生理表型，目前還無法弄清楚這其中的細節(jié)。 不過目前宏基因組學研究和建?？梢云谱g單個細菌中的特定代謝途徑，不久的將來可以預測土壤微生物群落成員間的代謝相互依存關系。 另一種引人注目的方法是，將復雜的土壤微生物組分解成離散的功能單位或者功能族群，標注為特定的表型（纖維素分解、甲烷生成、硫酸鹽還原等），用于更詳細地理解代謝的相互作用。 這個可以通過人工合成群落或者在含有特定營養(yǎng)物質(zhì)的液體培養(yǎng)基中富集培養(yǎng)來實現(xiàn)。 鑒定群落表型的未來機遇將是在土壤環(huán)境中構建自然進化和易處理的土壤聚生體模型，這可用于研究自然棲息地中微生物間的代謝相互作用、空間相互作用和化學信號傳導。 此外，微流控（Microfluidics）也可用于對土壤微生物組進行實驗性操作，以確定微生物特定的代謝相互作用的機制，從而了解和預測環(huán)境梯度對微生物特定功能的影響與精確的時空效應。微流控技術結合顯像技術，可以將微觀尺度上土壤空間異質(zhì)化背景下微生物之間的特定相互作用可視化。 現(xiàn)在穩(wěn)定同位素（SIP）和多組學方法可用于研究微生物具有的功能，即宏表型組。 而宏轉錄組學、宏蛋白組學和宏代謝組學的應用也有助于填補我們對關于基因轉錄、翻譯方面的知識空白，以及在給定資源的土壤環(huán)境中可能發(fā)生的代謝相互作用。 盡管如此，仍然有許多巨大的挑戰(zhàn)需要克服，比如功能基因注釋、大分子（代謝產(chǎn)物、蛋白等）的純化和鑒定等。 未來，讀長更大的高通量測序技術和質(zhì)譜分析技術的進步、更好的基因組組裝算法及計算能力更高的計算機的應用，可以得到接近完整的宏基因組數(shù)據(jù)及其基因表達數(shù)據(jù)（宏轉錄組和宏蛋白組）和代謝表型數(shù)據(jù)，從而能夠更好地闡明土壤宏表型組的細節(jié)。
6. 小結 個體微生物的代謝表型包括群落成員的總代謝產(chǎn)物，共同形成了土壤宏表型組在更大尺度上的呈現(xiàn)。 在高多樣性和高度復雜的土壤微生物群落中，解釋土壤宏表型組涉及的微生物基因組及其表達產(chǎn)物的整體變化，需要將基因表達機制的細節(jié)和土壤屬性聯(lián)系起來。 正在發(fā)展中的宏基因組學結合高通量技術、建模以及宏代謝組學結合SIP、成像技術，有望能夠更好地分辨和追蹤土壤生物體中信號分子、代謝物的交換過程，實現(xiàn)從宏基因組到宏表型組的過渡。 這對于預測環(huán)境擾動對具有關鍵功能的土壤微生物群落的影響及其反饋具有重要的意義。
參考文獻：
作者：王朱珺 |
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