中国海洋微生物多样性研究

中国海洋微生物多样性研究

张红娟刘志翰

（枣庄学院生命科学学院，山东枣庄277160）

摘要：众所周知，海洋面积占据了地球总表面积的70%多，其蕴含有丰富多样的、最具特色优势的海洋微生物资源。多样性研究是发掘、利用这些微生物资源的关键所在。更加重视海洋微生物的多样性，并且发掘功能丰富的新颖代谢产物，揭示海洋微生物的次生代谢过程及控制机制，研发新兴科技，是药品及特色功能性产品研发创新的前提条件。

关键词：海洋微生物、多样性、研究与分析

当今，全世界3.6亿平方公里的海洋当中蕴含了各种各样的生物资源。根据海洋生物普查报告显示，常见的海洋动植物种类超过25万，总数约摸100万。我国的南海地区是海洋生物多样性最丰富的区域之一。由于海洋环境的复杂性特点，再加上理化性质独特，对各类海洋微生物的研究需要更加深化。

一、海洋微生物多样性的研究意义、工作进展与成果

（一）物种多样性

首先，我们对海洋微生物物种多样性的研究意义进行分析。上文中提到，海洋面积占据了全球总表面积的约70%，独有、复杂的生态系统给微生物的物种多样性提供了重要支持。海洋微生物自身拥有的和低温、高压、高盐等各类极端环境相匹配的生理特质、细胞组成结构以及迎合这些环境的独有机制，是生命起源和演进、微生物系统进化的前提基础。当前，关于此方面我们也已经展开了一些相关工作，并取得了一定成果。例如，在海洋微生物的数目及具体分布、海洋真菌以及放线菌物种多样性等方面，我国取得了一定突破。具体而言，通过研究发现了海底原核生物数目大概占到全球总生物物种的20%左右；在超过一千米深度的深海环境下，微生物的数目大概为1000个/ml；在当今的海洋环境当中发现了50多个属的放线菌，其中有12个新属。这些新的研究发现和结论、成果均体现了我国在物种多样性方面的研究进步。

（二）化学多样性

对海洋微生物化学多样性的研究同样具有重要的意义。最近以来，专家由海洋微生物中发现了大批结构新奇独特、富有活性的次生代谢产物，这引发了学术界更加广泛的关注，并且被认定为最具研发前景及可持续利用的新药源。所以说，发掘及拓展海洋微生物次生代谢物的化学多样性研究必然会为海洋药物先导化合物提供优越的条件，解决长时间以来对陆生微生物过度发掘而造成新药物先导化合物愈发匮乏的问题。从上世纪90年代后，我国在海洋天然产物的研究当中获得了重大突破和进展。根据不完全统计，仅08年到16年间进入临床前研究的海洋天然产物就超过1600种，截至目前，海洋来源已经被批准成药物的有6个，进入临床研究期的有15个，其中海洋微生物来源的就有5个。

（三）代谢多样性

海洋微生物的化学多样性揭示了海洋微生物的代谢多样性。其代谢产物通常拥有新奇独特、繁冗杂乱的化学结构，当中蕴含了崭新的酶学原理以及有别于陆生微生物代谢产物的生物合成机制。有些海洋微生物的全基因组测序表明它们作为药物工厂，可以制造出多种多样的次生代谢产物的遗传基础。像代谢工程科技、体外酶学科技等新颖的技术方法早就广泛运用到了陆生微生物药物结构改造的研究工作中，从而为我国专家人士在海洋微生物代谢多样性的研究方面提供了巨大帮助，赶超国际水平。

（四）遗传多样性

海洋微生物在物种以及生态功能等方面的特性便为它们遗传多样性的鲜明反映。对微生物的遗传多样性进行研究出了能够有效揭示生命起源与进化、物种演变过程外，还是进一步挖掘基因产物、微生物性能的前提。客观认识海洋微生物的遗传多样性，有利于科学准确地评价其多样性，从而达到保护稀有微生物资源、可持续发展利用的目的。在此方面，我国的工作也获得了较大的进展和成果，比如：现阶段完成或者正在测序的海洋环境中的原核生物基因组为227个，海洋病毒37个等。

二、我国在海洋微生物多样性研究工作中出现的问题及其对策

（一）物种多样性研究面临的问题及对策

首先，此方面存在的主要问题如下：一，受到采样科技的制约。海洋样品的搜集存在诸多困难，尤其是深层海水以及超过200米水深的沉积物样品和深海生物，像珊瑚和海绵等，在一定程度上限制了海洋样品的种类数量。二，纯培养的模式较为滞后。我们对海洋生态系统及微生物的生理体征了解匮乏，所以海洋微生物的分离依旧沿用陆生微生物的分离手段及培养方法，缺少创新性和独特性。三，模拟深海压力环境的增压装置及有关培养装置不足。这在很大程度上制约了海洋原始环境下各类群的复苏、培养及分离。

其次，针对上述问题，我们可以采取以下对策：我们必须不断强化对海洋微生物研究的投入力度，与此同时，加大海洋微生物尤其是深海类群高保真培育设备等的研发力度，更好地丰富海洋微生物多样性研究的手段及工具。

（二）化学多样性研究问题与措施

如何更有效、深入地拓展海洋药源微生物的化学多样性是当前存在的最主要问题之一。此外，像研究菌株选择的重复率较高、工作量过重、资源浪费、研发效率不高等同样是海洋微生物化学多样性研究过程中存在的重要问题，必须及时采取措施解决。为此，我们可以采取下列对策：首先，建设高质量的海洋微生物库（具体包括浸膏库、化合物库等），目的是信息共享；其次，采取多学科交叉的形式，有利于从本质上揭示次生代谢产物本质，拓展多样性研究；再次，建立精准、微量的高通量集成筛选平台，并创新有关技术。

（三）代谢多样性问题与对策

因为种属之间的不同，各种海洋微生物菌株需要进行相应的优化后，才可以构建起适宜的遗传体系。怎样唤醒部分依旧沉默的基因簇，创造出新的次生代谢产物，是当前面临的重大难题。另外，像各来源的酶基因与调控元件怎样整合、怎样令酶接受更广泛的海洋底物等都是目前遇到的难题。针对上述难题，可采取的对策为：加大海洋微生物基因组测序力度，特别是我国自主研发的新种属和活性代谢产物等菌株，同时借助系统生物学的方法系统掌握代谢网络及调控网络，克服海洋微生物的遗传操作障碍。

（四）遗传多样性问题及对策

现阶段，虽然海洋微生物基因组数目迅速增加，然而对其功能及生态相关性的认知却严重不足。DNA序列数据与生物信息学分析均缺少对特定环境中基因表达情况及代谢途径的叙述。即便大量预测蛋白或许具备重要生态价值，然而其详尽功效无人知晓。因此，我们亟需寻找新的方法构建微生物基因组、生物化学、群体遗传学、海洋学以及生态系统生物学等之间结合的桥梁。

结束语

综上，本文主要针对目前我国海洋生物多样性研究工作的重要意义与工作成果、存在问题及其解决对策等方面进行了深入的剖析，旨在为今后此方面的工作提供借鉴与参考。

参考文献

[1]VenterJC,RemingtonK,HeidelbergJFetal.Environmentalgenomeshotgunsequencingofthe

Sargassosea.Science,2014,304:66-74.

[2]张偲,张长生等.中国海洋微生物多样性研究[J].生物多样性保护,2016.

作者简介：张红娟（1996年—），女，汉，山东省德州市人，枣庄学院，在读本科生，研究方向为微生物；

刘志翰（1994年—）男，汉，山东省滕州市人，枣庄学院，在读本科生，研究方向为微生物。