微生物分子生態(tài)學課件

第2章：微生物分子生態(tài)學

2.1：微生物分子生態(tài)學概念2.2：微生物分子生態(tài)學理論基礎2.3：微生物對外界環(huán)境的適應和調整2.4：極端環(huán)境微生物適應性的機制及應用2.5：微生物質粒的分子生態(tài)效應2.6：微生物分子生態(tài)學研究方法2.1：微生物分子生態(tài)學概念微生物分子生態(tài)學是分子生物學實驗技術應用于微生物生態(tài)學研究領域而發(fā)展形成的一門交叉學科，在分子水平上探討微生物生態(tài)系統(tǒng)組成結構、功能的機理以及微生物與生物和非生物環(huán)境之間相互關系。其核心問題是研究微生物生存的環(huán)境分子生態(tài)效應和遺傳分子生態(tài)效應。微生物分子生態(tài)學研究范圍微生物進化不可培養(yǎng)微生物群落結構與多樣性極端環(huán)境微生物基因轉移微生物與人類健康抗生素抗藥性微生物資源信號傳遞等。致病與免疫2.2：微生物分子生態(tài)學理論基礎

（1）微生物與外界因子之間的環(huán)境和遺傳分子生態(tài)效應微生物對環(huán)境以及環(huán)境中物質的耐受性和適應性是任何其它生物不可比擬的，因此探討微生物與環(huán)境之間的分子生態(tài)效應是微生物分子生態(tài)學的根本任務。環(huán)境造就生物，生物改造和修飾環(huán)境microbe光輻射O2pH氧化/還原電位氨氮硫化氫甲烷微生物要適應和改造環(huán)境，通過改變和修飾遺傳物質達到改變生理表型，逐步形成響應環(huán)境的調節(jié)系統(tǒng)，在適應過程中不斷進化，并通過遺傳將進化的結果傳播下去。（2）微生物與細胞間的信息交流細胞信號傳遞一直是生物學研究的熱點，分子生物學的發(fā)展揭示了許多動物細胞信號交流和傳導途徑。

長期認為微生物只能感受環(huán)境變化，微生物間沒有交流，但群體感應的發(fā)現(xiàn)表明微生物細胞之間存在信息交流。microbemicrobe信息素microbemicrobe抗生素微生物與細胞間的信息交流，探討的是微生物在生物細胞內環(huán)境的分子生態(tài)效應，可以進一步揭示細菌、病毒對人和動植物感染的調控作用，以及微生物次級代謝產(chǎn)物對其它生物的拮抗、抑制和殺滅的分子機制，探索寄生、共生、腐生等原理，為生物防治和健康醫(yī)學注入新的活力。（3）分子生態(tài)病毒學分子生態(tài)病毒學是由分子生物學、分子生態(tài)學和分子病毒學融合而成的新興分子學科。腫瘤病毒癌基因致癌特征RNA病毒的復制和致病HIVSARSHIV：人類免疫缺陷病毒（HumanImmunodeficiencyVirus），是一種RNA病毒，該病毒破壞人體的免疫力，導致免疫系統(tǒng)失去抵抗力，從而使得各種疾病及癌癥在人體內生存，并致人死亡。SARS：嚴重急性呼吸綜合征（SevereAcuteRespiratorySyndrome），也叫傳染性非典型性肺炎，SARS是一種冠狀RNA病毒。MERS：

中東呼吸綜合征（MiddleEastRespiratorySyndrome），MERS-CoV，一種新型冠狀病毒。截止2015年5月25日，全球累計實驗室確診病例共1139例，其中431例死亡（病死率37.8%）。

（4）微生物在環(huán)境修復中的分子生態(tài)學微生物修復（bioremediation）指通過微生物的作用清除土壤和水體中的污染物，或是使污染物無害化的過程。它包括自然和人為控制條件下的污染物降級或無害化的過程。

微生物群落結構及其動態(tài)變化

微生物分子多態(tài)性

微生物遺傳進化2.3：微生物對外界環(huán)境的適應和調整microbe光輻射大氣壓pH氧化/還原電位表面水活度磁性（1）營養(yǎng)因子對微生物的影響微生物新陳代謝和一切生命活動賴以進行的基礎。營養(yǎng)缺乏，導致微生物生長所需的能量、碳源、氮源、無機鹽等成分不足，機體停止生長和繁殖，代謝停頓。碳源用于構成微生物細胞和代謝產(chǎn)物中碳素的來源，并為微生物的生長繁殖和代謝活動提供能源。主要功能提供微生物生長繁殖所需的能源；提供微生物合成菌體的碳成分；提供合成目的產(chǎn)物的碳成分。氮源氮源是指構成微生物細胞物質和代謝產(chǎn)物的氮素的來源。主要功能是：構成微生物細胞結構物質，如氨基酸、蛋白質、核酸等；合成含氮代謝產(chǎn)物；作為酶的組成分或維持酶的活性；調節(jié)滲透壓、PH值、氧化還原電位等；當培養(yǎng)基中碳源不足時，可作為補充碳源。無機氮源有機氮源1）氨基氮：NH4OH(NH4)2SO4NH4NO3NH4Cl2）硝態(tài)氮：NaNO3KNO31）合成產(chǎn)物：尿素2）天然原料：植物蛋白：黃豆餅粉、花生餅粉、棉籽餅粉、菜籽餅粉、麥麩、玉米漿、玉米麩質粉動物蛋白：蛋白胨、魚粉、蠶蛹粉、牛肉膏微生物蛋白：酵母粉/浸膏、廢菌絲粉其它：酒糟等無機鹽和微量元素微生物在生長繁殖和代謝產(chǎn)物的合成過程中，還需要某些無機離子如硫、磷、鎂、鈣、鈉、鉀、

鐵、銅、鋅、錳、鉬和鈷等。各種不同的產(chǎn)生菌以及同一種產(chǎn)生菌在不同的生長階段對這些物質的需求濃度是不相同的。無機鹽及微量元素對微生物生理活性的作用與其濃度相關，一般它們在低濃度時對微生物生長和目的產(chǎn)物的合成有促進作用，在高濃度時常表現(xiàn)出明顯的抑制作用。（大量元素）（微量元素）

營養(yǎng)因子對微生物的影響符合Liebig定律。

Liebig定律也稱最小量定律，由德國農(nóng)業(yè)化學家JustusLiebig提出，認為任何生物的總產(chǎn)量或生物量取決于外界供給的所需養(yǎng)分中數(shù)量最少的那一種。遵循這一原理，我們可以有目的的促進有益微生物、抑制有害微生物的生長。遵循這一原理，我們可以有針對性的對環(huán)境樣品進行富集，得到所需的功能細菌。

硝化細菌

硫細菌

污染物降解菌遵循這一原理，在污水處理過程中，碳氮比要維持在一定水平，如果保證碳氮比合適，可促進正常微生物菌群的生長，抑制球衣細菌等絲狀菌的生長引起的污泥膨脹等問題。（2）光影響微生物的分子生態(tài)學光合微生物利用光能通過光合磷酸化同化CO2生成碳水化合物產(chǎn)生構建細胞的物質和能量。已知的光合色素有三類：葉綠素或細菌葉綠素、類胡蘿卜素和藻膽素。光合細菌因所含的細菌葉綠素和類胡蘿卜素的量和比例不同，其菌體呈現(xiàn)紅、橙、綠、藍綠、紫紅、紫或褐等顏色。GNSBPSBGSB陽光桿菌藍細菌藍細菌(Cyanobacteria)：藍細菌曾被稱為藍藻或藍綠藻，是一類分布很廣，含有葉綠素a，能夠在光合作用時釋放氧氣的原核微生物。藍細菌主要以二分裂或多分裂方式進行繁殖，少數(shù)藍細菌可形成孢子，孢子壁厚，能抵抗不良環(huán)境。PSB：細菌葉綠素a、bGSB：細菌葉綠素c、d、eP/GNSB：（3）紫外光對微生物的損傷與修復紫外輻射（200~380nm）可以殺滅微生物，尤其260nm左右的紫外波長殺滅細菌的作用是使細菌DNA分子形成嘧啶二聚體，或引起染色體的斷裂、細胞分裂受到抑制、存活率下降。

實驗室、食品、醫(yī)院等的紫外滅菌。黑暗光復活作用UVdark（4）磁場影響微生物的分子生態(tài)效應20世紀70年代，美國微生物學家勃萊克摩在大西洋底發(fā)現(xiàn)了一種奇異的細菌，它們總是沿著地磁場的磁力線運動。行動時，“手拉手”排成一條條“生物磁力線”，十分整齊美觀。這些就是活體“司南”，其軸向總是南北，決不會自亂陣腳。死后亦然。勃萊克摩美其名曰“趨磁細菌”。趨磁細菌具有趨磁性，是因為細菌體內含有一定數(shù)量的磁小體。磁小體在細胞內排列呈鏈狀，是由雙層膜包裹的磁鐵礦（Fe3O4）或鐵硫礦（Fe3S4

）晶體，約幾十個納米。趨磁細菌中鐵的含量占自身重的2%~4%，是非磁細菌細胞內含量的100倍，細胞內鐵濃度時培養(yǎng)基中鐵濃度的2萬~4萬倍，磁小體中鐵含量為84%以上。

趨磁細菌為什么要沿著地磁場方向運動呢？趨磁細菌是些厭氧性革蘭氏陰性細菌，需遠離水面到含氧量低的洋底進行生活，但海水的浮力很大，它們的身軀又很輕，要想生活在洋底不被漂起實屬不易，經(jīng)過若干億年的進化，它們細胞中進化出了磁小體這種奇特的結構，成為磁性很強的磁體，可以隨著磁場進行運動，到達最適合它們生長的環(huán)境。

磁小體特點包被磁小體的磷脂、蛋白或糖蛋白分散性極好，顆粒間不會聚集；單位體積的磁性很強。趨磁細菌及磁小體的應用前景信息存儲和電子領域：理想磁性生物材料，磁小體記錄材料比現(xiàn)在使用的磁粉粒度小、品質更均勻、磁能積提高數(shù)十倍、價格便宜，適用于制作高清晰、高保真、輕薄的大容量超高密度磁記錄材料和存儲器。醫(yī)療衛(wèi)生領域：藥物、酶、DNA、RNA等的載體，可直接運載到靶向病灶，提高對癌細胞的殺傷力和命中率；也可用于核磁共振成像的造影劑，用以檢測微型腫瘤以及用于磁熱療以殺死癌細胞。生物傳感器、免疫檢測、廢水處理、回收環(huán)境中的放射性核素污染、等。（5）溫度對微生物的影響溫度是生態(tài)系統(tǒng)中最重要的環(huán)境因子，是影響微生物生命活動的最重要因素之一。溫度通過影響微生物膜的液晶結構，酶和蛋白質的合成和活性，RNA的結構和轉錄等，影響微生物的生命活動。耐熱菌兼性嗜熱菌專性嗜熱菌極端嗜熱菌超嗜熱菌

（6）水活度對微生物的影響一切生物都離不開水，它們從環(huán)境中吸取營養(yǎng)物質，分解營養(yǎng)物產(chǎn)生能量及合成細胞結構和功能物質等都需要水的存在與參與。但影響微生物生長的不僅僅是水的含量，更重要的是環(huán)境中水的可利用性，即水的活度。aw=Pw/PowPw代表溶液蒸汽壓力；Pow代表純水蒸汽壓力。aw純水為1，溶液中溶質越多，aw越小。

（7）pH對微生物的影響微生物生長和代謝過程中的酶促反應都有一個最適的pH范圍，在此范圍內，微生物生長最快，酶活力最高。

一般細菌的最適pH范圍為6.5~7.5，在pH4~10可以生長；放線菌的最適pH范圍為7.5~8；酵母菌和霉菌適于在pH5~6的酸性環(huán)境下生長，但在pH1.5~10的范圍都可以生長，一般真菌生長的pH范圍比細菌廣，細菌對環(huán)境pH范圍要求相對嚴格。

（8）微波對微生物的影響微波是以頻率介于無線電波（低于300MHz/s）和紅外線（高于300000MHz/s）的電磁波，它對微生物的致死作用是微波能量產(chǎn)生的熱效應使微生物致死。

（9）壓力對微生物的影響陸地細菌在30℃和3.03×104kPa（300atm）下生長緩慢，4.04×104kPa（400atm）下生長停止；深海中的嗜壓細菌在30~40℃和6.06×104kPa（600atm）下還能正常生長繁殖。有些抗壓力強的微生物甚至在高于3.03×105kPa（3000atm）的環(huán)境下也不會死亡。

（10）氧化還原電位（Eh）對微生物的影響

Eh是一種物質給出電子的趨勢，Eh越高其給出電子的趨勢越小；由于微生物要利用環(huán)境中的各類物質給出電子時產(chǎn)生的能量才能生長，因此微生物所處環(huán)境的Eh對微生物的生長有顯著影響。

自然環(huán)境中的Eh上限是0.816V，存在于高濃度氧而沒有氧利用的環(huán)境中；Eh下限是-0.421V，存在于富含氫的系統(tǒng)中。

（11）其它環(huán)境因子對微生物的影響化學物質：鹽類、重金屬、氧化劑、有機物、表面活性劑等。2.4：極端環(huán)境微生物的適應性機制及應用在永久凍土中沉睡了3萬多年之后，柳葉蠅子草的種子被科學家成功復活，現(xiàn)在已經(jīng)開花結果。/cul/2012/03-07/3723773.shtml據(jù)英國《每日郵報》報道，在猛犸尸體的鼻粘液中發(fā)現(xiàn)了存活的古老細菌，這種細菌的年齡是300萬年到500萬年。/jykj/2009-02/13/content_450830.htm炭疽桿菌的孢子在液體空氣（-190℃~-180℃）中可存活數(shù)日。肺結核菌在-10℃條件下，6周之后毒力未減。

有些分歧桿菌和葡萄球菌耐干旱能力很強，一些乳酸菌和固氮菌能耐受10年以上的干旱。有些微生物可耐受高溫，東太平洋海底350℃環(huán)境下發(fā)現(xiàn)有細菌存在。Bacillusvermicosum能在20%NaCl和25%MgSO4溶液中生長；有的酵母菌和霉菌能在70%~80%的糖液中生活。（1）高溫環(huán)境中的微生物細胞壁有G-M及短肽構成的三維網(wǎng)狀結構呼吸鏈蛋白質的熱穩(wěn)定性高細胞膜中含高比例的長鏈飽和脂肪酸和具有分支鏈的脂肪酸，胞膜中含有甘油醚化合物tRNA中GC含量高細胞內含大量的多聚胺胞內蛋白增加分子內疏水性和分子外親水性，共價結合許多酶類蛋白質一級結構穩(wěn)定，含有鈣離子的保護耐熱機制淀粉酶嗜熱菌產(chǎn)物及應用熱穩(wěn)定的淀粉酶和葡萄糖淀粉酶高溫下有活性的異淀粉酶環(huán)糊精葡萄糖轉移酶纖維素酶熱穩(wěn)定的纖維素酶降解木聚糖的酶熱穩(wěn)定木聚糖酶幾丁質降解酶蛋白質降解酶DNA分子克隆工具酶DNA聚合酶反轉錄酶連接酶表面活性劑廢物處理與甲烷生產(chǎn)堆肥、乙醇生產(chǎn)、石油開采、冶金等（2）低溫環(huán)境中的微生物通過信號轉導使低溫微生物適應低溫環(huán)境調整不飽和脂肪酸的組成和比例，維持細胞膜的流動性改變細胞膜組成、合成組成型蛋白質和酶產(chǎn)生冷沖擊蛋白核冷適應蛋白RNA降解體的作用細胞體內糖、糖醇和氨基酸冷凍保護劑的作用形成休眠體耐冷機制酶結構的調整紡織工業(yè)用酶環(huán)境微生物修復低水活度條件下的生物催化嗜冷菌的應用洗滌劑的添加劑食品工業(yè)（3）高鹽環(huán)境中的微生物Na+對維持細胞膜、細胞壁構造和功能有特別重要的作用蛋白質和酶的鹽適應性嗜鹽菌具有異常的膜。嗜鹽菌細胞膜外有一個亞基呈六角形排列的s單層，由磺化的糖蛋白組成,由于磺酸基團的存在使s層呈負電性,因此使組成亞基的糖蛋白得到屏蔽,在高鹽環(huán)境中保持穩(wěn)定。H+質子泵具有排鹽作用細胞內溶質濃度的調節(jié)耐鹽基因耐鹽機制多聚物嗜鹽菌產(chǎn)物及應用多聚-β-羥丁酸（PHB）胞外多糖食物和食品工業(yè)食用蛋白食品添加劑酶工業(yè)酶的保護劑和穩(wěn)定劑酶制劑生物電子、表面活性劑、生物化工等醫(yī)藥工業(yè)醫(yī)用表面活性劑抗微生物物質類激素生物反應調節(jié)劑（4）堿性環(huán)境中的微生物通過呼吸作用建立質子電化學勢梯度，使Na+/H+反向載體能化，催化Na+排除H+攝入，H+得以在細胞質中積累，維持細胞質pH低于其生長的環(huán)境。Na+/溶質同向載體輸送溶質進入細胞Na+梯度為ATP合成提供動力產(chǎn)生嗜堿酶,堿性條件下在酶或蛋白質表面所形成的離子屏蔽效應,對它們的構象起穩(wěn)定作用。耐堿機制（5）酸性環(huán)境中的微生物細胞表面存在大量重金屬離子，可與環(huán)境中的H+進行交換，阻止H+對細胞的損傷。細胞壁和細胞膜中含有特殊化學成分（如磷、硫酯、環(huán)己烷脂肪酸、五環(huán)萜烯衍生物）含有抗酸水解的蛋白質通過膜電荷調節(jié)細胞膜電勢，維持細胞內pH穩(wěn)定耐酸機制脫羧酶反應煤和石油脫硫：酸熱硫化葉菌酸礦水的微生物修復嗜酸菌的應用細菌冶金：氧化硫硫桿菌生產(chǎn)肥料：硫桿菌產(chǎn)生硫酸分解磷礦粉（6）高輻射環(huán)境中的微生物微生物細胞本身具有許多保護機構（色素、氧化酶、磷酸糖脂等）防止輻射對細胞的有害影響受損DNA的光復活修復和暗修復SOS修復電離輻射引起的DNA損傷超氧化物歧化酶、過氧化氫酶、過氧化物酶能有效清除細胞內的超氧陰離子自由基、羥自由基和過氧化氫?？馆椛錂C制修復酶制備抗輻射蛋白作為輻射防護劑抗輻射菌的應用耐輻射異常球菌對DNA損傷因子具有超強的抗性和DNA修復功能，克隆相關基因并轉到入哺乳類細胞，可提高細胞的抗輻射能力。放射化療副作用的消除2.5：微生物質粒的分子生態(tài)效應

（1）質粒定義和命名 質粒是染色體以外能自主復制的遺傳因子，不具有胞外期，對寄主細胞來說是非必需的，符合這三條標準的染色體外DNA或RNA分子都可以稱為質粒。狹義的質粒一般是指細菌染色體外的環(huán)狀DNA分子。質粒的命名：一個小寫字母p加2-3個大寫字母和數(shù)字，如pJP4，pDTG1。細菌質粒：細菌細胞中染色體以外的共價閉合環(huán)狀DNA分子(cccDNA)，其大小在1-1700kb之間。根據(jù)質粒控制的性狀，可以把細菌質粒分成抗性質粒、降解質粒、毒力質粒和共生質粒等類型。細菌質粒控制的性狀--抗性

a.抗生素抗性細菌質?？刂频男誀?-抗性

a.抗生素抗性

b.重金屬抗性

c.陽離子抗性

d.其它抗性細菌質粒控制的性狀—結合轉移

a.致育性：F因子最早在大腸桿菌中發(fā)現(xiàn)，以后在其他菌中也觀察到，主要見于革蘭氏陰性菌。在電鏡下可觀察到細菌間借伸長的性菌毛進行接合。細菌能否在接合中作為基因傳遞供體取決于致育因子（Fertilityfactor）又稱F因子。這是最早發(fā)現(xiàn)的一種質粒。F因子編碼在細菌表面產(chǎn)生性菌毛。F因子的特性為可以促進供體菌向受體菌傳遞染色體DNA或質粒。細菌質粒控制的性狀—代謝能力

a.轉基因Ti（tumor-inducing）質粒。Ti是在根瘤土壤桿菌細胞中存在的一種染色體外自主復制的環(huán)形雙鏈DNA分子。它控制根瘤的形成，可作為基因工程的載體細菌質?？刂频男誀睢x能力

b.抗生素和細菌素的產(chǎn)生

c.固氮：含Nit質粒的根瘤菌

d.糖、蛋白質、檸檬酸等代謝

e.色素合成

f.等。真核生物的DNA質粒：

環(huán)狀DNA質粒：酵母2mm質粒，植物線立體中的環(huán)狀DNA質粒，人和動物的核DNA質粒等，它們都是不知其功能的隱蔽質粒。線狀DNA質粒：乳酸克魯維酵母的嗜殺線狀DNA質粒，植物線粒體中與雄性不育有關的線狀DNA質粒。有殼體的dsRNA質粒：由蛋白質殼體包裹，存在于某些真菌和植物細胞中，由于它們酷似病毒，所以也常被稱作真菌病毒和植物隱蔽病毒，或稱類病毒顆粒，典型代表是釀酒酵母的嗜殺dsRNA質粒。與RNA病毒的主要區(qū)別是它們不具有感染性．無殼體的dsRNA質粒：存在于脂質小囊中的栗疫菌減毒dsRNA質粒，玉米線粒體中與雄性不育有關的dsRNA質粒。（2）質粒的生物學特性復制(Replication)

質粒的復制起始和拷貝數(shù)是由質粒DNA序列控制的。質粒分子中為質粒復制所必需的最小區(qū)段稱為基本復制子，它由兩部分組成，一是復制原點(ori)，二是調節(jié)復制起始的基因（編碼蛋白質或RNA)。不相容性(Incompatibility)在無選擇壓力的條件下，親緣關系密切的不同質粒或同一不相容群的質粒不能穩(wěn)定共存于同一宿主細胞，在細胞增殖過程中將有一種被排斥的現(xiàn)象。當一種新的質粒進入已經(jīng)含有質粒的細胞中時，若兩種質粒同源或近緣，它們就會競爭資源，而競爭的結果就是一個勝利另一個則被消除。但此過程需要幾代或幾十代或更長的細菌繁殖周期，而并不是一個快速的過程。不相容性(Incompatibility)質粒之間的不相容性，是由于它們存在—種或幾種與質粒復制或分配有關的相同因子，如基本復制子中的反向轉錄區(qū)(ColE1質粒的RNAⅠ)，ori區(qū)中的重復子(Iteron)，與分配蛋白結合的分配位點。不相容性是質粒分類的理想標準。腸道細菌質粒分別屬于30多個不相容組，用Inc表示。轉移性(Transferability)

通過細胞與細胞之間的接觸，使DNA從一個細胞轉移到另外一個細胞的現(xiàn)象叫接合(Conjugation)。這一過程由接合性質粒的轉移(tra)基因區(qū)編碼。被轉移的DNA可以是接合質粒本身，也可以是染色體或可誘動的非接合性質粒。得到供體DNA的受體細胞稱為接合體或接合子。每個供體細胞所產(chǎn)生的接合體數(shù)稱為接合頻率。接合（conjunction）

F質粒的分子大小為100kb，編碼接合轉移功能的tra基因區(qū)位于遺傳和物理圖譜的66.6－100kb位置，編碼37個蛋白質和1個反義RNA，這些分子分別負責性菌毛的合成和裝配，雜交對的穩(wěn)定，表面排斥，DNA轉移，以及tra區(qū)基因表達的調節(jié)。轉化（transformation）轉化是某一基因型的細胞從周圍介質中吸收來自另一基因型的細胞的DNA而使它的基因型和表型發(fā)生相應變化的現(xiàn)象。（3）質粒功能的鑒定帶質粒菌株的特征自然界中同樣細菌中存在有和沒有某種檢驗的功能的兩種菌株時，應懷疑可能有質粒；當檢驗的性狀不穩(wěn)定、易于丟失時；在上述觀察的基礎上用接合或轉化的方法把所檢測性狀轉移到另一菌株，則可能是有質粒決定的；d.假如能從結構上檢測出或看到寄主染色體外的DNA，就可以探討該種DNA的存在與否和要檢測的性狀的有無之間是否存在平行關系；e.檢查決定所檢測性狀的DNA與宿主染色體不存在直接的聯(lián)系。質粒的消除利用染料（吖啶橙，溴化乙錠）、抗生素（如絲裂霉素C）、表面活性劑（如SDS）、高溫等方法進行人工消除。其工作機制：一是抑制質粒本身的復制和分離；二是選擇性抑制帶質粒細菌的生長。（4）質粒的分子生態(tài)效應質?；蜃饔靡鸱N的多樣性質粒在許多菌種廣泛存在，在特殊環(huán)境中攜帶著起重要作用的基因，從遺傳學角度，質粒擴大了宿主細胞的遺傳程度；從進化角度，它為種群變異提供了條件，增加了種的多樣性。質粒是微生物進化的象征特殊質粒的存在使宿主細胞完善自己的生存機會，，例如，根瘤農(nóng)桿菌利用Ti質粒感染植物細胞，完成互利共生的關系；通過主動適應（信號調控）和被動適應（基因轉移）在特殊環(huán)境中生存。降解性質粒和環(huán)境凈化的分子生態(tài)學

自然界中很多人造的化合物，例如除草劑、殺蟲劑、溶劑、去污劑等，自然界的自凈作用很難或需較長時間將它們分解，很多帶有降解性質粒的微生物卻可以快速利用和分解這些物質。

質粒的進化；

質粒轉移。

2.6：微生物分子生態(tài)學研究方法微生物群落結構和多樣性是微生物生態(tài)學研究的熱點內容。群落結構決定了生態(tài)功能的特性和強弱。群落結構的高穩(wěn)定性是實現(xiàn)生態(tài)功能的重要因素。群落結構變化是標記環(huán)境變化的重要方面。通過對環(huán)境微生物群落結構和多樣性進行解析并研究其動態(tài)變化，可以為調節(jié)群落功能和發(fā)現(xiàn)新的重要微生物功能類群提供可靠的依據(jù)。20世紀70年代以前：傳統(tǒng)的培養(yǎng)分離方法，依靠形態(tài)學、培養(yǎng)特征、生理生化特性的比較進行分類鑒定和計數(shù)，認識是不全面和有選擇性的，方法的分辨水平低。在70和80年代：對微生物化學成分的分析，建立了一些微生物分類和定量的方法（生物標記物方法），對環(huán)境微生物群落結構及多樣性的認識進入到較客觀的層次上。在80和90年代：現(xiàn)代分子生物學技術以DNA為目標物，通過rRNA基因測序技術和基因指紋圖譜等方法，比較精確地揭示了微生物種類和遺傳的多樣性，并給出了關于群落結構的直觀信息（1）傳統(tǒng)的微生物研究方法Live:culturedABNC:uncultured1%BIOLOG鑒定系統(tǒng)在96孔細菌培養(yǎng)板上檢測微生物對不同發(fā)酵性碳源（95種）利用情況。干膜上都含有培養(yǎng)基和氧化還原染料四唑微生物利用碳源進行呼吸時（產(chǎn)生的NADH），會將四唑從無色還原成紫色。每個孔中含有不同的底物菌懸液或無菌水自動化、快速僅能鑒定快速生長的微生物，誤差較大（pH），擁有的標準數(shù)據(jù)庫還不完善醌指紋法(QuinonesProfiling)呼吸醌廣泛存在于微生物細胞膜中，在電子傳遞鏈中起重要作用，主要有泛醌(ubiquinone輔酶Q)和甲基萘醌(menaquinone維生素K)。醌可以依據(jù)側鏈含異戊二烯單元的數(shù)目和側鏈上使雙鍵飽和的氫原子數(shù)進一步區(qū)分。每一種微生物都含有一種占優(yōu)勢的醌，而且不同的微生物含有不同種類和分子結構的醌。因此，醌的多樣性可定量表征微生物的多樣性，醌譜圖（即醌指紋）的變化可表征群落結構的變化。磷脂是構成生物細胞膜的主要成分，約占細胞干重的5%。在細胞死亡時，細胞膜很快被降解，磷脂脂肪酸被迅速的代謝掉，因此它只在活細胞中存在，十分適合于微生物群落的動態(tài)監(jiān)測。磷脂脂肪酸（PLFA）、甲基脂肪酸酯（FAME）譜圖分析脂肪酸具有屬的特異性，特殊的甲基脂肪酸已經(jīng)被作為微生物分類的依據(jù)。甲基脂肪酸酯是細胞膜磷脂水解產(chǎn)物，氣相色譜分析系統(tǒng)分析出全細胞的FAME譜圖。脂肪酸譜圖法分類水平較低，不能鑒定到種。另外，不同微生物種屬之間脂肪酸組成有重疊，外來生物污染也限制了脂肪酸譜圖法對種群結構解析的可靠性。分子生物技術：在核酸、蛋白質的分子水平進行相關的核酸和蛋白質的研究。（2）基于分子生物技術的方法21世紀的開端是微生物生態(tài)學研究能力革命性進展的時期，處于這次革新前沿的是從分子生物學發(fā)展而來的研究工具?；赑CR的技術核酸分子雜交技術流式細胞技術（FCM）微陣列技術反轉錄PCR（rt-PCR）競爭性PCR（Q-PCR）熒光定量PCR基因指紋圖譜技術擴增rDNA限制性片段分析（ARDRA）限制性酶切片段長度多態(tài)性分析（RFLP）單鏈構象多態(tài)性分析（SSCP）末端限制性片段長度多態(tài)性分析（T-RFLP）變性梯度凝膠電泳（DGGE）溫度梯度凝膠電泳（TGGE）擴增片斷長度多態(tài)性（AFLP)隨機擴增多態(tài)性DNA（RAPD)斑點印記Southern雜交和Northern雜交熒光原位雜交（FISH）宏基因組文庫

1）熒光原位雜交（FISH）FISH（Fluorescenceinsituhybridization）是一門新的分子生物技術，是20世紀80年代末在原有的放射性原位雜交技術的基礎上發(fā)展起來的一種非放射性原位雜交技術，目前這項技術已廣泛應用于動植物基因組結構、染色體結構變異分析、產(chǎn)前診斷、基因組進化分析和環(huán)境微生物生態(tài)學研究中。FISH基本原理是將DNA(或RNA)探針用特殊的核苷酸分子標記,然后將探針直接雜交到染色體或DNA纖維切片上,再用與熒光素分子偶聯(lián)的單克隆抗體與探針分子特異性結合來檢測DNA序列在染色體或DNA纖維切片上的定性、定位、相對定量分析。熒光標記間接標記：用生物素或地高辛標記稱為間接標記,雜交后需要通過免疫熒光抗體檢測方能看到熒光信號,因而步驟較多,操作麻煩,其優(yōu)點是在信號較弱或較小時可經(jīng)抗原抗體反應擴大。直接標記：直接用熒光素標記DNA的方法稱為直接標記。由于直接標記的探針雜交后可馬上觀察到熒光信號,省去了煩瑣的免疫熒光反應,不需要購買熒光抗體,也由于近