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基于功能基因芯片研究土壤微生态

微生物包括细菌、古菌、真菌等，是生态系统的重要组成部分，几乎存在于所有已知的环境中，在生态系统中起着非常重要的作用，如维持生态系统功能、直接参与碳、氮、硫、磷和一些金属的生物地球化学循环、加快污染环境修复进程等，微生物在生态系统对气候变化的响应方面也可能起着重要作用。功能基因芯片是一项以编码各种微生物生理功能的基因为探针的前沿的微阵列技术，这种技术可以对环境样品进行快速、敏感的高通量检测,功能基因芯片的发展将有助于深人研究土壤微生态细节过程，描述微生物群落的生态功能网络，为预测微生物群落对环境压力的响应变化提供理论基础。

1功能基因芯片原理

基因芯片技术采取核酸杂交技术，具有高密度、平行分析、双色测定和低背景值等优势，非常适合于检测自然环境中的微生物。在此技术中，将大量核酸片段(寡核苷酸、cDNA、基因组DNA)以预先设计的方式固定在载玻片、尼龙膜等载体上组成密集分子排列，再根据核酸互补杂交原理，与标记样品进行杂交；通过检测杂交信号的强弱，判断样品中靶分子的数量及组成。功能基因芯片（GeoChip）是一种基于全球基因组公共数据库并针对微生物相关的各类功能基因设计特异性的寡核苷酸探针，从而揭示微生物群落功能基因的多样性的高通量宏基因组检测工具。功能基因芯片是包含有功能基因序列的微阵列，通过排满探针（用于和样品ＤＮＡ进行杂交的已知短序列）的芯片，通过探针提供生物的系统发育信息或功能性质信息、或者二者均包含。当样品中的序列（纯菌、环境样品ＤＮＡ或ＲＮＡ的目标片段的荧光标记ＰＣＲ产物或随机引物的荧光标记ＰＣＲ产物）与探针进行杂交后，即可计算与探针匹配序列的相对荧光比例，从而获得微生物的多样性和相对丰富度信息。必威体育精装版的GeoChip5.0版本涵盖超过570,000种探针，靶向与基础生物地球化学循环、能量代谢及热点研究主题密切相关的2400多种功能基因家族中260,000余种编码基因。适合识别不同时间、地点和处理之间的代表微生物或微生物群落的差别，还可以定量Ｃ、Ｎ、Ｓ和Ｐ循环、有机污染物降解和胁迫响应等相关的功能基因的变化。

2功能基因芯片特点

2.1重复性高

平行样品间结果重现性高。

2.2检测类群广

涵盖多个功能类别，包括生物地球化学、能量循环、环境胁迫与抗性、有机污染物的生物降解、抗生素抗性及致病性相关的功能、次级代谢以及病毒相关的功能。

2.3宿主基因组的干扰少

GeoChip根据微生物相关的各类功能基因独立设计特异性的探针，极大地降低了特殊样品中动植物宿主基因组对微生物群落功能检测的影响。

2.4数据可读性强

与基于测序的宏基因组数据相比，GeoChip数据简单易懂，可直接用于各类统计分析，有助于结果的解读和比较。

3功能基因芯片在土壤微生态研究中的应用

能基因芯片从功能基因的视角探索土壤微生物在不同生态类型中和不同环境压力下的分布及规律，以及土壤微生物在污染物处理、降解和土壤修复等方面的作用和机理，并深入了解碳、氮等营养物质在土壤微生态系统中循环、转化作用机理。由此可见，功能基因芯片为土壤微生态研究提供了全新的强有力的技术分析工具，有助于更高效地利用土壤微生物对污染环境进行综合治理，或利用生物技术改选微生物，增强对外源污染物的降解和转化，同时为开发利用微生物资源维持陆地生态系统的稳定性提供了理念基础。

3.1功能基因芯片在不同生态系统中土壤的微生态应用

功能基因芯片在森林生态系统、草地生态系统，农业生态系统等各种不同生态系统的土壤微生态研究中都得到了应用。结合功能基因芯片和焦磷酸测序技术检测二氧化碳增加压力下的草地土壤微生物群落变化，发现在二氧化碳增加压力下有关活性碳降解、固碳、固氮以及磷释放的基因数量都有所增加，而对有关甲烷代谢和难降解性碳降解的基因没有显著影响，而且土壤微生物群落结构和代谢潜力与土壤的碳氮含量、植物生产力密切相关，表明二氧化碳的增加改变了微生物群落的结构和组成，微生物群落的结构和功能的改变会进一步对碳的流动产生影响。利用功能基因芯片Geochip2．0(24000个探针，可以同时检测数千个基因，包括炭循环的相关基因)来比较土壤微生物和生物地理化学功能如何响应不同的土地利用类型，结果表明，草地向森林的转变使土壤的碳氮储存量发生了变化：桉树的种植减少了与氨化和固氮作用相关的功能基因、碳聚合物降解相关的基因和几丁质酶功能基因的丰度。

3.2功能基因芯片在污染压力下的土壤微生态应用

功能基因分类芯片研究污染土壤的生物降解、生物修复等过程，在群落和基因的水平上对微生物进行动态检测，为提高修复降解效率提供可借鉴的理论基础。利用功能基因芯片对位于中国东北的油田土壤进行原位检测，考察不同石油污染压力下的土壤微生物群落多样性。研究结果反映了不同污染压力下的功能基因的响应关