微生物菌群培养组学在动物医学中的应用

微生物菌群培养组学在动物医学中的应用

李晓龙,李秋莉,刘风龙,刘桂霞,王凤芹

蒙古赤峰市林西县农牧局  内蒙古赤峰025250

摘要：在实验室环境下，被培育的微生物数量仅为大自然中细菌总量的1％以上，这极大影响着人类对99％以上未知细菌的了解和使用程度，但研究结果显示，所有“不可培养的微生物”是能够被研究和使用的，而没有经过单纯培育的细菌才是对未知细菌的研究重点。细菌的组学研究可以通过各种培育材料和方法长时间的培育，以及通过对细胞基质辅助激光解吸与电离飞行时间质谱法（MALDI－TOF－MS）和16S核糖体RNA（rRNA）的检测可以通过大规模识别各种细菌，，并对在动物疫病防控过程中使用动物体内产甲烷菌培养组学技术的可能性作出了研究。而作为一个全新的研究方法，微生物产甲烷菌培养组学技术和其他研究技术间的互补机制也逐渐形成了中国兽医专业微生物学研究开发中的新重点，虽然目前该群培组学技术仍面临着某些不完善的技术问题。

关键词：培养组学；16S rRNA

前言

在动物身上的体表上种植了数量丰富的细菌，并且产生了动态的稳定的微生态平衡，因为它们相互之间是共存的，而微生物与宿主细胞之间又是相互协作与竞争的。在中国传统科学研究中，尽管大自然的微生物类型相当繁杂，在纯培养技术环境下能培育的菌种也只达其百分之一，但是人类在微生物学的科研领域的进展却遭到了极大的局限，因此主要还是依靠纯培养方法进行微生物学的研究科研。有关研究人员指出，在这些细菌群体中，大多数都是未培养的细菌，因此是可以被进一步研究和使用的。而近年来，随着与动物样本有关的肠道菌群基因组脱氧核糖核酸检测的高通量和精度提升，也使得传统意义上的微生物学方法和现代技术之间产生了交流，进而使得我们可以从全新的角度探索细菌的特征和作用，其中宏基因组测序等新技术也受到了广泛应用。尽管这些可以通过DNA信息分析和理解的新技术，能够有助于人们认识一定情况下的细菌成分，但这还是制约着一些领域的进展，例如细菌制药技术，其基础就在于制备活的培养物。这样，对于活培养物的分离、鉴定和研究中的关键技术，即微生物的组学就变得特别关键了。近几年活培养组学的开发，使可培育的人体菌库大量增加，进而提高了人类对宿主与微生物之间相互影响的认识。活培养组学在动物医学上的广泛应用使可培育的微生物数量大量增多，并消除了在宏基因组学研究领域中没有经过严格划分的操作分类单位，从而在对临床病原细菌的分离鉴定上又出现了全新的分类群。

1微生物菌群培养组学的研究方法

培养组学首先就必须对样品进行多重环境的培育，目的就是抑制多数具有正常繁殖能力的微生物生长，并促使较低浓度微生物的正常繁殖，之后再通过合适的环境条件对特定的分类群体进行培育，其突出优点就在于能够通过基于微生物表蛋白分子量测定的MALDI－TOF－MS方法，对微生物进行多通量的快速识别。若用常规质谱法不能识别成功，则需要通过对样品进行细菌核糖体（16S rRNA）的遗传序列研究，即通过研究与比较微生物rRNA序列的相似性来判断新微生物种系的发生情况，如检测结果与最新的参考菌种相似匹配率高达98.65％，则样本分离的株可能是一个新品种。对获得的疑似新生物进行了全面基因组测序，然后，在采用分类基因组学技术研究并确定新分离的微生物时，必须将所有在MALDI－TOF质谱分析法和基因组测序中所获取的生物信息按统一格式提交至相应数据库。

因为生长特点不同，在含有稀有元素、特殊生养分配比、适宜环境的条件下，也可以同时培育出某些对环境养分需求相对较大的微生物。培育组学最主要的目的是创造各种培育环境，并筛选出挑剔的细菌在动物体内发育的良好环境。以专性厌氧细菌为例，就必须供应含有各种补充液的由不同培养基组成的特殊装置和特定试剂，才能适应其发育环境。

二 培养组学在反刍动物瘤胃的研制中的重要应用

当反刍动物在刚出生的时候，它们的消化系统内并没有其他细菌，也就是细菌由于与外界环境的持续联系，除原虫、厌氧的真菌等以外，动物机体中的所有微生物区都可以形成，而又以产甲烷菌群为主的瘤胃环境中的细菌类型最多，种类也最多。对反刍动物的生长特性有很大影响的是，反刍动物的消化过程主要依赖瘤胃环境中的细菌群。据分析结果指出，瘤胃内含物的细菌平均密度为1010～·g-1，而纤毛虫含量则为104～106个·g-1，而真菌密度则为102～·g-1瘤胃微生物的组成结构、特定微生物组的质量和数量等都能影响动物吸收能量的效率，在农业生产上也可以通过改变日常食物组分来影响宿主动物，从而使其生理功能受到影响，从而改变了瘤胃微生物的组成结构和数量。微生物培养组学的诞生，极大地推动了对反刍瘤胃微生物的研究进展，通过确定和未确定的厌氧培养基(包括瘤胃液)可以培养出大量未知瘤胃微生物，而相关的体外重建技术和基于微生物区系的高通量测序研究，也推动了瘤胃中微生物培养组学在反刍瘤胃中的研究发展。

3培养组学在禽类盲肠中的研究进展

虽然有关哺乳动物的消化道微生物领域的资料相当多，包含了鸟类等动物，但目前大部分的消化道微生物领域资料依然是以人类为主。在细菌种类中占主导地位、在消化管微生物菌群对健康稳态功能作用最高的复杂、动态的消化道细菌群大家族中，鸟类则主要以厚壁菌门和拟球菌门为主，与哺乳动物有异曲同工之处。此外，根据动物的试验结果显示，盲肠同时也是家畜胃肠管内细菌数量最高和种类最大的部分，鸡的盲肠内含物的细菌载量密度约为1010～·g-1。鸡的生活中，盲肠产甲烷菌群也在不断的演替中进行着置换。对于宿主的健康和生产性能来说，禽肠微生物菌群在生理上也是非常重要的。胃肠内的细菌群落，在任何特定环境下都可以受到饮食、遗传因素和对人体影响的影响。因为可以预测特定种群的组织结构及其关键代谢素，并从根本上研究宿主生物的各个方面，因此研究动物的微生物区系结构也正得到更多的重视。但动物肠道微生物区系的部分组成(菌种)仍必须分离和培养，才能从机制角度上完整掌握在宿主细胞和/或生物生态系统内肠道细菌和其他微生物之间的关系作用。培养组学通过利用各种饲养环境的肠道环境，以及通过MALDI－TOF－MS和16S rRNA扩增测序确定所培育的细菌区系，因此能够针对禽类肠道的细菌群落开展体外重建和群体特性分析。

4结束论

整体而言，除了培养组学先前的作用以外，培养组学和细菌体外纯化培养的技术，也将促进兽医微生物学研究范围的扩展进程，而这些所产生的应用意义，是相当重大的。细菌的组学通过筛选每个不同类群的未鉴定的分类群和不同菌种，找到的特定菌种很可能作为新抗菌素的原料，同时确定了细菌的区系。

参考文献

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