基因芯片在環(huán)境保護中的應用

1、 基因芯片在環(huán)境保護中的應用作者 指導老師 摘要：基因芯片技術是21世紀生物技術的重要發(fā)展，是生命科學與物理學、化學、微電子學以及計算機學等學科相互交叉的一門高新技術。該技術的突出特點在于其高度的并行性、多樣化、微型化、自動化，基因芯片技術應用于功能基因研究、雜交測序、藥物篩選診斷、基因表達、基因多態(tài)性和突變檢測等，除了在生物學、醫(yī)學、制藥學、司法和農(nóng)林業(yè)等領域上都有極為廣闊的應用外，在環(huán)境保護上，一方面可以快速檢測污染微生物或有機化合物對環(huán)境、人體、動植物的污染和危害，同時也能夠通過大規(guī)模的篩選尋找保護基因，制備防治危害的基因工程藥品、或能夠治理污染源的基因產(chǎn)品。關鍵詞：基因芯片；環(huán)境保護；

2、環(huán)境污染；微生物檢測Gene Chip Technology and its Application in Environment ProtectionAuthor Wang Han YuInstructor Cai Tian MingAbstract： Gene chip technology is one of the important development of biotechnology in the 21st century, and it is a high technology which the life scientific and physics, chemistry,

3、 microelectronics and computer science and other disciplines intersect at. The salient features of this technology is its high degree of parallelism, diversification, miniaturization, automation, Gene chip technology has been used in functional genomics research, hybridization sequencing, drug scree

4、ning, diagnosis, gene expression, gene polymorphism and mutation detection, etc. Apart from the external application on the field of biology, medicine, pharmaceutics, judicial and agroforestry, In environmental protection, On the one hand it can quickly detect the pollution and harm comes from micro

5、organisms or organic compounds of environment, human, animal and plant. But also to seek protection through large-scale genetic screening, and prepare genetic engineering drugs to hazard Prevention or gene product which can control pollution.Key words: Gene Chip；environment protection；environment po

6、llution ；microbial detection前言基因芯片, 又稱DNA 微探針陣列(microarray),是一種最重要的生物芯片的一條分支，是伴隨人類基因組計劃而產(chǎn)生的，該技術的突出特點在于其高度的并行性、多樣化、微型化、自動化，被認為是生命科學研究中繼基因克隆技術、基因自動測序技術、PCR 技術后的又一次革命性的技術突破。是近年來不僅在分子生物學及醫(yī)學診斷技術的重要進展。它的工作原理與經(jīng)典的核酸分子雜交方法是一致的, 都是應用已知核酸序列作為探針與互補的靶核苷酸序列雜交, 通過隨后的信號檢測進行定性與定量分析。基因芯片在一微小的基片(硅片、玻片、塑料片等)表面集成了大量的分子識

7、別探針, 能夠一次分析大量的基因, 進行大信息量的篩選與檢測?；蛐酒梢钥焖儆行У貦z測污染源，檢測由微生物、有機物等引起的污染，對環(huán)境污染物進行檢測與評價。同時能夠幫助研究人員通過大規(guī)模的篩選制備能夠治理污染源的基因產(chǎn)品或?qū)ふ业奖Ｗo基因并制備防止危害的基因工程產(chǎn)品。1基因芯片的原理和種類1.1 基因芯片的產(chǎn)生1985年,美國科學家率先提出人類基因組計劃，由此揭開人類生命科學史上的偉大工程，隨著人類基因組計劃實施，大量的動植物、微生物基因組序列得以測定，基因序列數(shù)據(jù)以前所未有的速度增加，怎樣去面對如此眾多的基因并探討其在生命活動中擔負的功能就成了生命科學者們共同的任務。有人就曾設想利用計算機半

8、導體技術生產(chǎn)基因芯片，以對人類基因大量的遺傳信息進行分析和檢查,直到1994年,由于光電化學的進展、光刻技術的誕生,Pease等人創(chuàng)造的光導原位合成(Light-direetedsymothesis)高密、微化的寡核昔酸陣列(ODTA)技術得以問世，這才使設想逐步成為現(xiàn)實。基因芯片采用微加工和微電子技術，可在大小1cm的固相表面組裝固定若干、幾十、成千甚至上萬個不同DNA探針，以形成生物分子高密、二維陣列的微型生物化學分析系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對基因分子信息個別及大規(guī)模的分析和檢測。1.2 原理基因芯片的原理是基于核酸分子堿基之間(A一T/G一C)互補配對的原理，利用分子生物學、基因組學、信息技術、微

9、電子、精密機械和光電子等技術將一系表面構成微點陣，然后將標一記的樣品分子與微點陣上的DNA雜交,以實現(xiàn)對多到數(shù)萬個分子之間的雜交反應,并根據(jù)雜交模式構建目標DNA的序列，從而達到高通量大規(guī)模地分析檢測樣品中多個基因的表達狀況或者特定基因(DNA)分子是否存在的目的。例如將由A、T、C、G4種核普酸任意組合形成的八聚體寡核昔酸探針(65536個)和1個長度為12個寡核昔酸堿基組成為AGCCTAGCTGAA的DNA單鏈進行雜交反應,結果有5種探針可以和目標DNA互補結合，它們分別是TCGGATCG、CGGATCGA、GGATCGAC、GATCGACT和ATCGACTT。將這些具有重疊序列的探針進行

10、重排就可以構建目標DNA的互補序列。1.3 種類基因芯片的類型較為繁多，其分類方法較多：根據(jù)載體基質(zhì)不同分為:無機片基基因芯片，指其基質(zhì)基片是無機物，如:玻璃、硅片等，有機片基基因芯片，指其基質(zhì)基片是有機物，如:凝膠、尼龍膜等；依據(jù)探針合成的順序分為:原位合成基因芯片和預先合成后上樣的基因芯片，前者通過聚乙二醇或硅烷類化學試劑在不同位點合成不同的探針，后者比較簡單，先制備好cDNA或寡核營酸，然后在經(jīng)特殊處理的玻片、硅片或膜上點樣；按照基因芯片的用途可分為:基因表達芯片和DNA測序芯片，前者可以將克隆到的成千上萬個基因特異的探針或cDNA片段固定在一塊DNA芯片上，對來源不同的個體(正常人或患

11、者)、組織、細胞周期、發(fā)育階段、分化階段、不同的病變、不同刺激(包括不同誘導和不同治療手段)下的細胞內(nèi)mRNA或反轉(zhuǎn)錄后產(chǎn)生的cDNA進行檢測，對這些基因表達的個體特異性、病變特異性、刺激特異性進行綜合分析和判斷，將某個或某幾個基因與疾病聯(lián)系起來，極快地確定這些基因的功能，且可進一步研究基因與基因間相互作用關系，后者則是對大量的基因進行序列分析。按基因芯片組裝的探針可分為:寡核昔酸和cDNA芯片，前者可用于基因組學及表達譜研究，后者僅用于表達譜研究。2 基因芯片技術2.1 DNA陣列的構建和印制根據(jù)芯片種類的應用目的的不同，芯片核酸陣列的構建方式也不相同，首先是根據(jù)研究目的選用合適的寡核苷酸、

12、cDNA片段或特定的功能基因等，按統(tǒng)計方式事先構建成點陣列，然后，將所需用的核酸片段就位合成于芯片上，或以大致相當?shù)臐舛?，變性后采用手工或機械的方法，按一定的排列方式點樣在特定的固相支持物上，前者稱為原位合成，后者可有壓電打印和直接點樣兩種方法。2.2靶樣品的準備靶樣品就是DNA樣品，主要來源是從生物細胞中提取mRNA后經(jīng)轉(zhuǎn)錄成cDNA通常采用常規(guī)的基因分離、反轉(zhuǎn)錄、擴增的標記等，為了獲得雜交信號，在擴增過中加同位素或化學熒光進行標記。同位素常用P33/S35，使用熒光標記，沒有同位素的放射危險性，通過激光共聚焦掃描儀器尋址測讀，具有很高的分辨能力、極高的靈敏度和定位功能，是目前廣泛用于芯片雜

13、交結果判讀的標記方法，熒光標記染料已開發(fā)出了數(shù)10種。2.3雜交和檢測雜交：芯片雜交過程與傳統(tǒng)的 Southern 印跡雜交等類似，屬于固液相正相雜交：探針分子固定于芯片表面，與液相的靶分子進行反應。但這種方式不僅使得檢測過程平行化，可以同時檢測成百上千的基因序列，而且由于集成的顯微化，使得雜交所需的探針及待測樣品均大為減少，雜交時間明顯縮短。檢測：對于熒光標記芯片應用熒光顯微鏡或激光共聚焦掃描儀等采集各雜交點熒光信號如位置和強度；同位素標記多采用放射自顯影檢測雜交信號；最近發(fā)展的納米金標記，通過銀放大后可直接在裸眼或普通光學顯微鏡下觀察。最終再用相關軟件進行信號的分析處理，得出待測樣品的核酸

14、信息。2.4數(shù)據(jù)收集和分析將經(jīng)熒光或激光共聚焦掃描得到的圖像輸入計算機，按不同的研究目的，用專門軟件對雜交產(chǎn)生的印跡進行數(shù)據(jù)的自動化處理和定量分析。其基本步驟為樣品斑點的確定、圖像背景的識別和扣除，所得的數(shù)據(jù)經(jīng)正態(tài)化后，進行統(tǒng)計分析，得到基因的表達圖譜。3基因芯片在環(huán)境保護中的應用3.1微生物群落研究中的應用31.1探究群落中微生物的意義微生物在生態(tài)系統(tǒng)的功能和持續(xù)中起著極其重要的作用，了解微生物群落的結構和組成以及它們對環(huán)境干擾的反應和適應性，對于維持和恢復生態(tài)系統(tǒng)理想的生態(tài)功能是很重要的環(huán)境微生物群落研究包括環(huán)境樣品的微生物分布、種類、功能、動力學變化及氣候、環(huán)境污染等環(huán)境因素改變對其微生

15、物生態(tài)的影響等。3.1.2基因芯片技術用于環(huán)境微生物研究具有更多優(yōu)勢與傳統(tǒng)的核酸檢測技術相比，基因芯片技術用于環(huán)境微生物研究具有更多優(yōu)勢：首先，DNA或寡核苷酸為基礎的基因芯片技術是研究功能基因組學的有力工具，它允許研究者全面地研究不同條件下活細胞的生理學。第二，基因芯片技術不需要知道保守序列，不同種群的同一功能組的所有多態(tài)性基因序列可以構建在芯片上，并且以此作為探針來檢測它們在環(huán)境樣品中的的相應分布。第三，不需要枯燥費時的配對雜交。第四，基因芯片需要的樣品量少，適宜于環(huán)境微生物檢測。第五，基因芯片具有定量特性?；蛐酒诃h(huán)境微生物研究中的應用處于起步階段，但是，芯片技術在環(huán)境微生物研究中的應

16、用將加速復雜環(huán)境微生物系統(tǒng)的生態(tài)、生理、結構和功能的了解。3.1.3常用基因芯片的種類（1）系統(tǒng)寡核苷酸芯片 系統(tǒng)寡核苷酸芯片建立在系統(tǒng)標記基因如rRNA 基礎之上。rRNA 是研究細菌進化和親源關系的重要指標， 是細菌系統(tǒng)分類學最有用和常用的分子鐘。16S rRNA是最常用的作為細菌群落結構分析的系統(tǒng)進化標記分子。它由多個高度保守的區(qū)段和可變區(qū)段組成，保守性序列基本保守， 反映生物物種的親緣關系，因此可以利用恒定區(qū)序列設計引物將16S rRNA 片段擴增出來； 高變性則揭示生物物種的特征核酸序列， 其序列因不同細菌而異， 因此可利用可變區(qū)序列的差異來設計不同菌屬、菌種的探針。系統(tǒng)寡核苷酸芯片

17、是目前應用最廣的一種基因芯片， 利用該技術已經(jīng)成功對堆肥、土壤、活性污泥、鈾污染含水土層等環(huán)境樣品進行了微生物檢測、菌群動力學、多樣性和結構分析。(2)功能基因芯片功能基因芯片通常建立在催化生化反應的關鍵功能基因之上， 這些基因包括了那些與研究對象有確定關系的基因， 或至少是與研究對象的關系有待考證的基因。作為 FGA 候選基因應該具有的特點：(1)該基因是參與生化過程的關鍵酶或蛋白質(zhì)編碼基因； (2)進化保守但在不同微生物之間具有足夠的變異， 從而可以對不同菌株設計探針； (3)不同的基因在數(shù)據(jù)庫的序列信息量是不同的， 應該選擇在公共數(shù)據(jù)庫中具有翔實序列信息的有關基因。根據(jù) FGA 的目的及

18、其雜交靶標的種類， FGA 分為功能分類基因芯片和基因表達芯片。 前者的目的主要是研究菌群是否具有這些特定反應過程及其功能的分布、變化、多樣性， 其雜交靶標是菌群DNA的PCR 產(chǎn)物。而后者用于研究這些特定功能基因的生理活性及其基因表達情況， 需提取環(huán)境樣品的mRNA， 其雜交靶標是菌群cDNA 的PCR 產(chǎn)物。（3）群落基因組芯片(CGA)群落基因組芯片(CGA)是一種將可培養(yǎng)微生物的全基因組DNA 作為探針的技術， 它的特異性高，可以鑒定到種甚至菌株水平； 敏感性強， 只需0.2 ng的待分析基因組DNA 就可檢測。CGA 在微生物檢測、鑒定、量化、不同環(huán)境樣品的微生物菌群相關性或不同微生

19、物基因組的相關性分析等方面將有著廣泛的前景。（4）宏基因組芯片(MGA)未培養(yǎng)微生物組成了地球上生物多樣性的主體，據(jù)估計， 自然環(huán)境中超過99%的微生物不能用傳統(tǒng)的方法進行純培養(yǎng)， 因此， 人們開始通過免培養(yǎng)的技術即宏基因組或直接從環(huán)境樣品中抽提克隆微生物的混合DNA 來研究環(huán)境樣品中微生物基因組的功能和序列分析。目前， 利用該技術已進行了酸礦外排液和Sargasso Sea 的微生物群落、活性污泥和土壤細菌PHB 代謝遺傳學等的研究。該技術可以分析環(huán)境樣品微生物結構和功能；可以通過不同環(huán)境樣品宏基因組芯片的比較分析獲得某環(huán)境樣品菌群的代表DNA 探針。3.1.4研究方法（1）基因指紋圖譜法：

20、 指紋圖譜法是指用各種技術來評估PCR產(chǎn)物在凝膠上的譜帶類型，有下述的許多方法可以用于區(qū)分群落間的差異，但當它們用于像多樣性指數(shù)等更精度的分析時，必須首先確定每一譜帶類型只代表一個種。酶解技術，如擴增rDNA限制性片段分析、限制性酶切片段長度多態(tài)性分析、單鏈構象多態(tài)性分析等方法，每一個種都有多個譜帶類型，使它們難以單獨用于群落多樣性分析，而更適合于在基因測序之前對克隆文庫及分離物進行篩選。其缺點是，由于僅有末端片段長度被分析，獲得的信息較少，不足以分析非常復雜的微生物群落，如土壤微生物群落，因為多種微生物的酶切末端片段長度可能相同，造成對物種豐度的估計過低。(2) 分子雜交法直接將PCR產(chǎn)物或

21、樣品DNA/RNA與已有的探針雜交來檢測微生物群落的多樣性能夠用于識別種間或種內(nèi)差異性，其特點是不需要對目標基因進行PCR擴增，因此可以避免PCR過程中產(chǎn)生的誤差；但是同樣因為未對目標基因進行擴增，目標基因濃度較低，容易給檢測帶來困難；且有時目標類群的目標基因序列并非完全同一，而是有亞類群之間的差異，結果所設計的探針DNA序列與某些亞類群的目標基因互補性較差，從而導致對該類群的估計過低；此外，它只能用來檢測事先估計到其存在、己知其目標基因序列、并為之設計好引物的類群。 (3) 定量PCR分析法通過定量PCR可以直接測定目標基因在微生物群落中的拷貝數(shù)或相對量，目前有稀釋PCR(Limiting

22、Dilution PeR)、動力學PCR(Kinetic PCR)!競爭性PCR(Competitive PCR)和適時熒光定量PCR。稀釋法定量PCR盡管簡單，但它卻不能提供準確的定量測定數(shù)據(jù)，因為在PCR的指數(shù)擴增階段，微小的變異將顯著改變PCR產(chǎn)物的產(chǎn)量。是迄今為止定量最準確、重現(xiàn)性最好的定量方法，己廣泛用于基因表達!轉(zhuǎn)基因研究，藥物療效檢測、病原體檢測等諸多領域。 (4) 基因序列系統(tǒng)發(fā)育分析法該方法是應用DNA測序技術直接將目標基因進行序列測定，并與基因文庫中己有的序列進行比較分析來確定微生物群落多樣性及其系統(tǒng)發(fā)育關系。該方法能提供各個克隆分類地位的可靠信息，但需要很長的試驗周期、大

23、量的試驗材料，實際工作中對所有的克隆進行測序難以實現(xiàn)，通常需要與RFLP法或T-RFLP法結合，或者只隨機挑選部分克隆進行測序；而且根據(jù)克隆的拷貝數(shù)估計種群豐度將導入隨機誤差。3.1.5基因芯片在環(huán)境微生物研究中的挑戰(zhàn)理論上，基因芯片技術提供了為復雜的微生物群落進行全面的和定量研究所必須的優(yōu)點，然而，與純培養(yǎng)的研究比較，基因芯片在對環(huán)境核酸樣品的分析面臨幾個重要的技術挑戰(zhàn)。首先，基因芯片雜交的內(nèi)在變化是一個關鍵問題，目前，很難用同一種方法在不同的實驗室和甚至同一個實驗室的不同實驗間進行數(shù)據(jù)比較；第二，當有些環(huán)境樣品提取的DNA或RNA量不夠時，基因芯片雜交的靈敏度仍然不夠，不清楚是否基因芯片雜

24、交的靈敏度足夠檢測環(huán)境樣品中所有類型的微生物；第三，基因芯片研究環(huán)境樣品產(chǎn)生的數(shù)據(jù)數(shù)量可能很大，但是快速的處理和發(fā)掘分析雜交數(shù)據(jù)仍然處于初級階段；第四，整個群落的基因數(shù)量可能遠遠超出目前基因芯片的容量；第五，盡管確定微生物群落性狀的基因芯片一旦構建成功，該芯片可以提供一種快速方法，但是制備適合于基因芯片分析的高質(zhì)量的樣品成為了研究的瓶頸；最后，基因芯片僅僅是研究的工具，它們應該結合到解決生態(tài)或環(huán)境的問題和假說中去，只有這樣，分析微生物群落基因芯片的力量才能夠得到肯定。3.2環(huán)境毒理學研究中的應用3.2.1 病毒檢測基因芯片的應用目前病毒感染的診斷以經(jīng)典血清學方法、現(xiàn)代免疫學技術和分子生物學方法

25、為主，但在對那些遺傳變異頻繁的病毒感染進行診斷時，這些方法的程序復雜、工作周期長，不利于快速診斷。PCR技術應用以來，為病毒感染的診斷提供了高靈敏度的檢測工具，但同時非特異產(chǎn)物的增多也容易導致臨床診斷錯誤。在PCR基礎上，利用核酸雜交特異性高的特點，基因芯片能通過平行分析PCR擴增產(chǎn)物快速、準確地鑒別多種病原體，用于高通量、大規(guī)模的病毒檢測和分型。3.2.2 細菌檢測基因芯片的應用應用基因芯片診斷病原菌的原理，在于細菌的16S rRNA基因的高度保守性。rRNA基因包括313kb長的23S、116kb長的16S和僅0112kb長的5S三個基因。其中16S rRNA基因的長度最合適，是目前最常被

26、選用作為細菌鑒定和分類的基因。目前，幾乎所有已知細菌16S rRNA基因的堿基序列均被測定并存入基因庫，由于RNA易于降解，多采用檢測16S rRNA對應染色體上的16S rDNA序列。細菌檢測基因芯片中 16S rDNA 靶基因的選用國內(nèi)外多有利用16S rRNA靶基因制備的細菌檢測基因芯片的報道，如美國學者Warsen在2004年根據(jù)細菌16S rDNA設計寡核苷酸探針構建基因芯片，對18種細菌進行檢測，其中包括嗜水氣單胞菌、愛德華氏菌、葡萄球菌、鏈球菌等15種魚類常見病原菌，結果能100%特異性地檢測出這些病原菌。細菌檢測基因芯片技術作為一種高新技術，例如：已經(jīng)在水產(chǎn)中微生物的鑒定、水產(chǎn)

27、動物疾病的快速診斷等方面有廣闊的應用前景。概括起來它的優(yōu)越性主要有：（1）以各類致病基因的特異片段為檢測樣品，可同時檢測多種疾病，提高檢測效率；（2）整個過程無需機體免疫反應，少量檢測樣品就可做出早期診斷；（3）能夠測定病原體的耐藥性問題，有利于對癥下藥；（4）該技術由DNA 雜交技術和 PCR 擴增技術相結合，有極高的靈敏度、特異性和可靠性；（5）自動化程度較高，有利于大規(guī)模推廣應用。3.2.3基因芯片技術在食品致病菌檢測中的應用基因芯片技術作為一種新的技術平臺，已廣泛地應用于食品研究領域。隨著該技術的不斷完善，其將在食品研究和食品安全中發(fā)揮越來越重要的作用。就基因芯片技術檢測食品中常見致病

28、菌的基本原理、檢測過程、存在的問題、研究進展作一介紹?；蛐酒幕驹硎菍⒏鞣N基因寡核苷酸點樣于芯片表面，微生物樣品DNA經(jīng)PCR擴增后制備熒光標記探針，然后再與芯片上寡核苷酸點雜交，最后通過掃描儀定量和分析熒光分布模式來確定檢測樣品是否存在某些特定微生物。常規(guī)檢測方法主要有傳統(tǒng)生化培養(yǎng)檢測法、探針雜交、PCR法。傳統(tǒng)方法是采用細菌培養(yǎng)、生化鑒定與血清分型，由于操作簡單、經(jīng)濟而被廣泛采用，但檢測時限長(一般要1-2周)，效率低、靈敏度不高。常規(guī)檢測方法檢測食品中的致病菌已經(jīng)不能滿足快速檢測的要求，難以適應飛速發(fā)展的現(xiàn)代食品生產(chǎn)和流通領域，因此為了確保食品的安全性，開發(fā)快速檢測致病菌的方法，準

29、確地檢測食品中的致病菌具有十分重要的意義。該技術具有傳統(tǒng)的檢測方法不可比擬的優(yōu)越性：1基因芯片可以對食品中的致病菌實行高通量和并行檢測，一次實驗即可得出全部檢測結果；2操作簡便快速，整個檢測在幾小時內(nèi)即可得出檢測結果；3特異性強，敏感性高。隨著基因芯片檢測食品中致病菌技術的不斷發(fā)展和完善，將廣泛應用于出入境、食品安全指標、突發(fā)事件等致病菌的檢測，食品安全必將得到進一步保障，并且將對整個食品領域產(chǎn)生深遠的影響。3.2.4水產(chǎn)動物病原檢測基因芯片的應用隨著水產(chǎn)養(yǎng)殖的迅速發(fā)展，水生動物病害迅速蔓延。水產(chǎn)上的細菌病害一直是現(xiàn)代水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)飛速發(fā)展的障礙，而將基因芯片技術應用于水產(chǎn)病害中，構建細菌檢測基因

30、芯片，是發(fā)展的趨勢也是應用的實際。與此同時，不同靶基因的選用也使得細菌檢測基因芯片技術不斷完善。目前，分子生物學的核酸探針、斑點雜交和PCR技術已普遍在海水養(yǎng)殖動物疾病檢測中開發(fā)，并通過不同的組合應用，得到了更高的靈敏度或準確率，如Dot-ELISA、免疫酶標記檢測核酸雜交、PCR-核酸探針雜交和實時定量PCR技術使人們能在極廣范圍內(nèi)對病原核酸進行精確定量；此外，對水產(chǎn)動物病原的感染機理及病毒生態(tài)學研究都有極大的推動作用。近年來，海水養(yǎng)殖動物的診斷技術已向著同時檢測多種病原方向發(fā)展，例如同時檢測WSSV和IHHNV的PCR技術、同時檢測TSV、WSSV、IHHNV的(RT)PCR技術等，這些技

31、術的發(fā)展使人們看到了提高檢測通量所帶來的誘人效率?；蛐酒夹g以其無可比擬的高通量和快速準確的檢測能力必將會在水生動物病害診斷中呈現(xiàn)迅速發(fā)展的趨勢。3.4.5環(huán)境毒理學研究中的應用前景伴隨著經(jīng)濟的高速發(fā)展，世界各地的快速工業(yè)化和城市化使得人類賴以生存的水環(huán)境體系面臨著前所未有的挑戰(zhàn)，特別是改革開放30多年來，我國工農(nóng)業(yè)經(jīng)濟的快速發(fā)展，大量工業(yè)和城市生活污水排放進入江、河、湖、海，對水環(huán)境保護的呼聲不斷增高，客觀上需要大量更具有科學性的、信息內(nèi)容更加精確豐富的生態(tài)毒理學知識來指導和規(guī)范人類的活動.基因組學等革新生物技術的開展帶來了巨大的基因組學信息量，不斷有新物種的全基因組信息被揭示出來，這為基

32、因組學研究方法和技術引入到生態(tài)毒理學方面風險因素的評估創(chuàng)造了最佳的時機.基于此開展以DNA芯片研究生態(tài)毒理學的方法，對比傳統(tǒng)的毒理學評價方法，不僅可以減少大量的實驗動物數(shù)量和實驗時間，可以獲得更多關于毒物作用機制的分子生物學信息，可以減少不確定的動物實驗推導結論，由一些眾所周知的生物擴展到整個生態(tài)中。3.3環(huán)境生態(tài)學研究中的應用3.3.1在生物多樣性研究中的潛在應用生物多樣性及其保護是生態(tài)學的一個關節(jié)問題，也是一個有關國計民生的問題。盡管，傳統(tǒng)的分子生物學技術為確立生物多樣性提供了有效的工具，然而，一般來說，這些方法都比較費時費工。含有對不同微生物具有特異性的標識基因的基因芯片將為微生物的鑒定

33、和生物多樣性的研究提供有力、快速、及時的方法。3.3.2 生態(tài)環(huán)境中檢測的應用利用基因芯片眾所周知的微型化、集成化、自動化特點，將這種基因芯片技術引入到對海洋青鳉魚的生態(tài)毒理學專用型cDNA芯片的構建上來，從而將海洋環(huán)境壓力危害性和基因表達特征聯(lián)系起來，通過基因表達分析確定毒理因素的危害性，此研究結果不僅有助于對海洋環(huán)境毒理因素相關的分子生物學機制進行了解，也為開發(fā)出創(chuàng)新型的海洋生態(tài)環(huán)境監(jiān)測技術奠定了良好的基礎。楊樹潰瘍病病原種類多樣，寄主廣泛。無性型多樣，種間形態(tài)特征有重疊；有性型不常發(fā)現(xiàn)，且病原的檢測常受到地理、寄主、分類知識的限制，由此需要發(fā)展非依賴分離培養(yǎng)方法的病原鑒定和林間診斷技術。

34、通過對多種核酸模板和具遺傳標記功能的多個靶標核酸序列（基因）的擴增、測序和比對，多重 PCR 擴增技術及基因芯片檢測技術可以直接用于環(huán)境樣本的分析。多重 PCR 同時平行通量擴增多個模板或位點，芯片具有同時平行通量檢測多種病原菌的潛力，二者的聯(lián)合可完成快速高通量并行的檢測多個物種。將多重 PCR-基因芯片技術應用到樹木潰瘍病病原的鑒定中，以期將檢測性芯片推廣應用到樹木潰瘍病生態(tài)監(jiān)測中。3.4用于環(huán)境污染檢測和防治3.4.1 污染源的檢測基因芯片可以快速大規(guī)模的檢測污染源，同時幫助尋找保護基因及能夠治理污染源的基因產(chǎn)品。如美國國立環(huán)境衛(wèi)生研究院的 Barrett 等構建的名為 ToxChip 的

35、 DNA芯片，它可以同時檢測有害化學物質(zhì)對幾千個不同基因表達的影響，被認為是毒理研究有力的工具。Stin等設計構建了一種基于 16s DNA 區(qū)間的針對致病性弧菌的檢測芯片，通過對 Chesapeake 港灣的水中各類弧菌的檢測、鑒定，甚至定量，從而非常方便地實現(xiàn)對水質(zhì)的變化進行監(jiān)測及季節(jié)變化規(guī)律預測。因此有環(huán)境學專家指出基因芯片技術以及基于芯片技術構建的集樣本采集、加工處理、純化、檢測為一體的微縮實驗室必將成為今后水源及相關環(huán)境檢測的主要工具。著著沿海經(jīng)濟建設速度的逐步加快和海洋開發(fā)活動的日益頻繁，海洋環(huán)境污染問題日漸凸顯，近岸海域常常出現(xiàn)水質(zhì)清潔度不達標，水體嚴重富營養(yǎng)化，營養(yǎng)鹽失衡等海洋

36、生態(tài)的不健康狀態(tài)，因而進行海洋生態(tài)毒理學的深入研究，探索出快速、準確的污染檢測方法，將為海洋環(huán)境保護提供高水平的基礎支持，成為“持續(xù)發(fā)展”戰(zhàn)略的一種重要技術支撐。3.4.2 基因芯片污染防治上的應用隨著現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展和污水排放、采礦冶煉、農(nóng)藥和化肥的大量施用等原因，以及土壤對污染物的累積富集作用，土壤污染日趨復雜化。土壤 Cd污染狀況不容樂觀。而且其進入食物鏈后對人類的健康將產(chǎn)生嚴重的危害。隨著我國農(nóng)業(yè)栽培耕作方式趨于規(guī)?；图s化發(fā)展，除草劑的使用量日漸增大。我國是世界上水稻的生產(chǎn)大國，因此作為磺酰脲類除草劑中對水稻特異性較強的芐嘧磺隆在我國的使用量十分巨大。利用基因芯片技術，在 mR

37、NA 轉(zhuǎn)錄水平上研究 Cd、芐嘧磺隆（BSM）及其復合污染對水稻的基因應答機制，能增加水稻對重金屬和有機污染物的耐受性。4存在問題及展望一種技術總是從模糊走向精湛，進而變得更為先進，基因芯片技術就是如此。它在較短的時間里發(fā)展的速度，是其他技術都不可比擬的。基因芯片發(fā)展方向包括以下幾個方面: 第一， 現(xiàn)在cDNA 芯片需要大量的RNA ( l0ug 總RNA 或5OOng 的mRNA) ， 因此必需改進RNA 的擴增方法以分析更小量的RNA， 最終進行單細胞表達分析； 第二，需發(fā)明新的更敏感的信號檢測系統(tǒng)； 第三， 芯片制備、樣品處理、雜交、檢測以及數(shù)據(jù)分析的標準化， 提高基因芯片的準確性和可靠

38、性。盡管基因芯片技術還存在很多問題， 但由于其具有并行化和高通量的特點， 它的應用前景仍十分廣闊。我國基因芯片研究也緊跟國際前沿，力爭在此高新技術領域里有一席之地，它將對我國生命科學研究，醫(yī)學診斷，新藥篩選具有革命性的推動作用，也將對我國人口素質(zhì)、農(nóng)業(yè)發(fā)展、環(huán)境保護等作出具大的貢獻，同時帶動我國科學整體進步，為各相關高科技產(chǎn)業(yè)創(chuàng)造機會。基因芯片將成為21世紀最令人注 目的高新技術領域之一，將使人類早日進入生物信息時代。結論：基因芯片技術是2O世紀90年代發(fā)展起來的一項由分子生物學、物理學、微電子學、計算機科學等多學科交叉而形成的高新技術?；蛐酒且环N最重要的生物芯片，它的工作原理與經(jīng)典的核酸

39、分子雜交方法是一致的， 都是應用已知核酸序列作為探針與互補的靶核苷酸序列雜交， 通過隨后的信號檢測進行定性與定量分析，經(jīng)過幾十年來的錘煉，技術不斷精湛起來，不僅在其他領域如生物學、醫(yī)學、制藥學、司法，農(nóng)林業(yè)等領域上有廣泛的應用，而且在環(huán)境保護學也是有極為廣闊的應用。參考文獻：1 李 晨，黃 倢. 細菌檢測基因芯片的簡述及其在水產(chǎn)上的應用. 中國農(nóng)學通報J 2010,26(4):41-44.2 路 超，姜慧敏，張建峰等. 鎘和芐嘧磺隆復合污染脅迫對水稻的基因應答機理的基因芯片分析J.農(nóng)業(yè)環(huán)境科學學報,2013,32(3):426-431.3 張于光,李迪強, 肖啟明等. 基因芯片及其在環(huán)境微生物研究中的應用J.微生物學報，2004年6月，44卷3期.4 鐘 毅, 張 旭, 梁玉婷等. 基于基因芯片技術的石油污染土壤微生物群落結構J. 清華大學學報(自然科學版),2010年, 第50卷 ,第9期.5 張于光,李迪強,肖啟明等.基因芯片及其在環(huán)境微生物研究中的應用J.微生物學報,2004,44(3):406一410.