中国白酒酿造微生态学研究技术进展及应用状况(4)
宏基因组学[50]是指不依赖分离培养技术,直接分析菌群中微生物基因组序列和功能的方法。鉴于自然环境中约有99%的至今尚不能培养且一无所知的微生物存在,利用宏基因组学技术可以获得比培养方法多得多的遗传信息,为研究非培养微生物提供了有效手段。宏基因组学技术的基本步骤[51-52]是首先直接抽提环境微生物DNA,然后将DNA 片段克隆、转化,构建宏基因文库。利用高通量测序技术对文库进行随机DNA 序列测定,研究微生物群落组成,寻找特定的功能基因或表达的特殊表型。近年来,宏基因组学已逐渐成为微生物多样性研究的重要工具之一。
生物信息学技术的发展以及新一代测序技术有利地促进了宏基因组学技术的发展和完善。被称为深度测序技术(deep sequencing)的新一代测序技术(next generation sequencing,NGS)[53-56],包括第二代及第三代测序技术,并且开始出现了第四代测序技术。目前第二代测序技术应用较为成熟,该技术基于聚合反应和连接反应,同时对大量DNA 分子平行测序,代表性平台有454 焦磷酸测序系统(Roche)、SOL iD 平台(Life Technologies)、Solexa 平台(Illumina)。第三代测序技术克服了二代技术的读长序列短、需要模板扩增步骤等缺点,以单分子测序和读长序列长为特点,目前已开始有一些应用。第四代测序技术以纳米孔测序为代表,采用物理方法直接读出其碱基序列,目前此技术尚处于实验阶段,无实际应用。在白酒酿造微生态研究中,应用最多是第二代测序技术中的焦磷酸测序,例如Zhang 等[57]利用焦磷酸测序分析清香型大曲的细菌群落,Tao 等[58]利用焦磷酸测序技术研究了不同窖龄窖泥的原核微生物群落结构,并研究了窖泥中微生物的群落和多样性,Li 等[59]用焦磷酸测序方法对细菌16S rRNA 和真菌内部转录间隔区进行了测序,研究大曲的微生物多样性。
随着测序技术不断的发展,测序数据通量呈指数级增长,生物信息学变得越来越重要,高通量测序数据的处理算法和生物信息学数据库成为宏基因组学发展的重要基础,目前也是宏基因组学发展的一个技术瓶颈[60]。生物信息学是随着各种生物信息学软件的开发而快速发展,这些软件的功能主要有基础分析(Cluster W、BioEdit 等)、亲缘关系分析(Mage、PAUP 等)、指纹图谱分析(Quantity One、T-Ali 等)、群落结构分析(UniFrac、Fast-UnFrac 等)、多样性指数分析(DOTUR 等)、序列提交(Sequin、Sequence Read Archive 等)[61-63];目前高通量测序发展较快,高通量数据/综合分析软件主要有Mothur、Qiime、RDP、Pipeline 等;基因序列分析的核酸序列数据库主要有GenBank 数据库(美国国家生物技术信息中心),EMBL 数据库(欧洲生物信息学研究所)和DDBJ 数据库(日本国立遗传学研究所)[64]。这些软件和数据库是研究微生物生态的重要基础,在海洋、土壤、人体、食品等领域应用广泛。
蛋白质组学和代谢组学在对微生物生态的研究中也有应用。蛋白质组学的一种新技术——宏蛋白质组学[65]:在特定的时间对微生物群落所有的蛋白质进行分析研究的技术,在极端环境微生物的功能基因表达、特殊功能蛋白质开发以及生态元素循环等方面有一些应用。在白酒微生态研究中应用较少,但已有人利用此技术对窖泥微生态进行研究,例如Zheng 等[66]首先从30 年和300 年的窖泥微生物中提取总蛋白质和DNA,然后利用基于iTRAQ 蛋白组学技术研究微生物表达形成香味的功能蛋白质。
现在代谢组学在生态学领域也开始有越来越多的应用,主要应用在土壤、海洋等传统生态学领域,与蛋白质组学、转录组学和基因组学等技术的结合应用也日益密切。代谢组学[67-68]是通过考察生物体系受到刺激或扰动前后代谢产物图谱及其动态变化来研究生物体系的代谢网络的一种技术,主要研究相对分子质量1000 以下的内源性小分子。近年来代谢组学与生态学相结合出现了一门新兴学科——生态代谢组学[69],其定义为对某一生物系统中产生的或已存在的代谢物组的研究的建立与发展。
各学科技术的交叉结合使用为生态学研究提供了有力的工具,我们可以利用宏基因组学、宏转录组学、宏蛋白质组学及代谢组学对酿酒微生物生态在不同层面进行研究,包括窖泥、糟醅、大曲的微生物群落结构、多样性、以及微生物繁殖代谢与环境因子的关系、特殊功能性微生物及其产物、筛选分析未知微生物等。白酒酿造中微生物非常复杂,将来利用这些技术进一步揭示白酒微生物酿造规律,进而指导白酒生产,既可以促进生产更多优质白酒,又可以弘扬中国传统文化。
文章来源:《中国微生态学杂志》 网址: http://www.zgwstxzz.cn/qikandaodu/2021/0104/348.html