文档介绍：宏基因组学概述
王莹，马伊鸣
（北京交通大学 土木建筑工程学院 环境1402班）
摘 要：伴随分子生物学技术快速发展及其在微生物生态学和环境微生物学研究中广泛应用，促进了以环境中未培养微生物为研究对象新兴学科——微生物环境基因组学(又叫宏基因组学、元基因组学，英文名Metagenomics)产生和快速发展。宏基因组学经过直接从环境样品中提取全部微生物DNA，构建宏基因组文库，利用基因组学研究策略研究环境样品所包含全部微生物遗传组成及其群落功效．在短短几年内，宏基因组学研究已渗透到各个领域，包含海洋、土壤、热液口、热泉、人体口腔及胃肠道等，并在医药、替换能源、环境修复、生物技术，农业、生物防御及伦理学等各方面显示了关键价值。本文对宏基因组学关键研究方法、热点内容及发展趋势进行了综述
关键词： 宏基因组 宏基因组学 环境基因组学 基因文库构建
Macro summary of Metagenomics
Wang Ying, Ma Yi-Ming
（BeijingJiaotongUniversity, Institute of civil engineering,）
Key words: Metagenome; Metagenomics; The environmental genomics
宏基因组学（Metagenomics）又叫微生物环境基因组学、元基因组学。它经过直接从环境样品中提取全部微生物DNA,构建宏基因组文库，利用基因组学研究策略研究环境样品所包含全部微生物遗传组成及其群落功效。它是在微生物基因组学基础上发展起来一个研究微生物多样性、开发新生理活性物质（或取得新基因）新理念和新方法。其关键含义是：对特定环境中全部微生物总DNA（也称宏基因组，metagenomic）进行克隆，并经过构建宏基因组文库和筛选等手段取得新生理活性物质；或依据rDNA数据库设计引物，经过系统学分析取得该环境中微生物遗传多样性和分子生态学信息。
宏基因组学这一概念最早是在1998年由威斯康辛大学植物病理学部门Jo Handelsman等提出，是源于未来自环境中基因集能够在某种程度受骗成一个单个基因组研究分析想法，而宏英文是"meta-"，含有更高层组织结构和动态改变含义。以后伯克利分校研究人员Kevin Chen和Lior Pachter将宏基因组定义为"应用现代基因组学技术直接研究自然状态下微生物有机群落，而不需要在试验室中分离单一菌株"科学。
2 研究对象
宏基因组学(Metagenomics)是将环境中全部微生物遗传信息看作一个整体自上而下地研究微生物和自然环境或生物体之间关系。宏基因组学不仅克服了微生物难以培养困难, 而且还能够结合生物信息学方法, 揭示微生物之间、微生物和环境之间相互作用规律, 大大拓展了微生物学研究思绪和方法, 为从群落结构水平上全方面认识微生物生态特征和功效开辟了新路径。现在, 微生物宏基因组学已经成为微生物研究热点和前沿, 广泛应用于气候改变、水处理工程系统、极端环境、人体肠道、石油污染、生物冶金等领域, 取得了一系列引人瞩目标关键结果。
3 研究方法
宏基因组学研究过程通常包含样品和基因(组)富集；提取特定环境中基因组 DNA；构建宏基因组 DNA 文库；筛选目标基因；目标基因活性产物表示(图 1)五个步骤。
图1 环境微生物宏基因组学研究过程
Fig. 1 General process of metagenomic strategie
环境样品及目标基因组富集
在宏基因组文库筛选过程中目标基因仅占总 DNA 一小部分, 对环境样品预富集能够大大提升目标基因检出几率。现在预富集技术关键分为细胞水平富集和基因组水平富集。其中细胞水平富集关键是经过利用选择培养基对目标微生物进行富集培养, 最常见方法是底物选择, 另外还包含营养选择及物理化学指标选择。不过因为富集培养选择性地富集了含有快速生长特征菌群, 所以造成大部分物种多样性信息丢失。现在能够经过先在严格胁迫条件下短期处理, 然后改为较温和处理条件, 能够从一定程度上克服这种方法不足。基因组水平富集常见技术为稳定同位素探针技术(SIP), 原理是采取稳定同位素标识底物, 其中“重”原子掺入到含有代谢活性微生物核酸中, 采取密度梯度离心方法将“重” DNA 和“轻”组分分离, 被标识“重”核酸能够作为 PCR 模板, 用来构建宏基因组文库。比如采取 C 标识甲醇研究森林土壤宏基因组 DNA, 结果判定出变形细菌 α-亚纲中全部已知嗜甲基菌, 并在一个嗜酸菌中发觉了新甲醇还原酶基因。另外, 还有报道利用抑制性