微生物种质资源挖掘及选育技术研究进展

doi:10.16431/j.cnki.1671-7236.2026.02.003

摘要/Abstract

摘要：

微生物是地球上储量最丰富的生物群体，在人类生产、健康和生活中均扮演着重要的角色。传统挖掘培养方案相对落后，只有极少一部分微生物能够被培养。近年来，随着高通量测序技术的飞速发展，培养组学逐渐进入研究者的视野，并在微生物种质资源的开发中显示出巨大的应用潜力，如通过多种培养条件结合基质辅助激光解吸时间飞行质谱（MALDI-TOF MS）技术成功在畜禽肠道、森林或海洋沉积物等环境中筛选出新菌株，为微生物资源挖掘提供了新途径。与此同时，通过构建微生物细胞工厂、解析非模式菌株代谢网络及设计合成微生物群落，为微生物的定向改造与功能强化提供了新思路，如通过构建微生物细胞工厂，可实现青蒿酸、聚羟基脂肪酸酯等产物的高效合成；基于嗜热菌、耐盐放线菌等非模式菌株开发的新型底盘细胞，突破了传统模式菌的代谢限制；而合成微生物群落优化了复杂产物的生物合成途径，提高了微生物的筛选与培养效率。文章综述了近年来微生物种质资源挖掘及选育技术，重点论述了培养组学及其他技术手段的联合应用策略，并整合了微生物细胞工厂构建、非模式菌株改造及合成微生物群落设计等方面的研究进展及其在不同领域的应用与挑战，以期为中国微生物种质资源的挖掘与高效应用提供理论基础与技术参考。

关键词: 微生物; 培养组学; 种质资源; MALDI-TOF MS; 微生物细胞工厂; 合成生物学

Abstract:

Microorganisms are the most abundant biological groups on the earth， exerting crucial functions in diverse aspects of human existence， spanning production， healthcare， and daily routines. Nevertheless， the traditional methodologies employed for microbial cultivation and exploration have remained relatively primitive， which means that merely an infinitesimal proportion of microorganisms can be successfully cultured under such circumstances. In recent time， propelled by the remarkable advancements in high throughput sequencing， culturomics has progressively captured the attention of researchers and revealed remarkable potential for application in the pursuit of microbial germplasm resources. For example， by combining multiple culture conditions with matrix-assisted laser desorption/ionization time-of-flight mass spectrometry （MALDI-TOF MS）， new strains have been successfully screened from environments like the intestines of livestock and poultry， as well as forest or marine sediments， providing novel approach for the exploration of microbial resources. Meanwhile， synthetic biology offers fresh ideas for the directed modification and functional enhancement of microorganisms. It achieves this by constructing microbial cell factories， analyzing the metabolic networks of non-model strains， and designing and synthesizing microbial communities. For instance， the construction of microbial cell factories has enabled the efficient biosynthesis of products such as artemisinic acid and polyhydroxyalkanoates （PHAs）. New chassis cells developed from non-model strains （e.g.， thermophiles and halotolerant actinomycetes） have overcome the metabolic limitations of traditional model bacteria. Additionally， synthetic microbial communities have optimized biosynthetic pathways for complex products and improved the efficiency of microbial screening and cultivation. This review summarizes recent advances in the exploration and breeding of microbial germplasm resources， with a focus on the combined application strategies of culturomics and other technical approaches. It integrates the research progress in constructing microbial cell factories， modifying non-model strains， and designing synthetic microbial communities， along with their applications and challenges in diverse fields， so as to provide theoretical foundation and technical reference for the efficient exploration and utilization of microbial germplasm resources in China.

Key words: microorganism; culturomics; germplasm resources; MALDI-TOF MS; microbial cell factory; synthetic biology

中图分类号:

S852.6

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图/表 4

图1

表1

培养组学在微生物筛选中的应用"

样本来源 Sample source		微生物种类 Microbial species	所用技术 Technology	优点 Advantages	参考文献 References
动物 Animals	奶牛粪便 Dairy cow feces	芽孢杆菌	6种培养基筛选芽孢杆菌、特异性引物PCR检测、生物信息相似性检测	提高筛选出的芽孢杆菌种类及数量	王浩先等^［16］
	人体血液 Human blood	苏云金芽孢杆菌、痤疮丙酸杆菌、短短芽孢杆菌等	培养组学培养鉴定、宏基因组学进行物种分析	培养组学与宏基因组学相互验证，准确性高	赵梦伊等^［17］
	人体阴道 Human vagina	乳杆菌、链球菌、放线菌、拟杆菌等	35种不同培养基、 MALDI-TOF MS鉴定	精确的描述微生物及多样性	Abou Chacra等^［18］
	人体肺部 Human lung	副血链球菌、毗邻颗粒链菌、非典型韦荣菌等	采用瘤胃液和羊血的厌氧/需氧培养基、MALDI-TOF MS检测、16S rRNA基因测序	提高微生物丰度	刘月姣等^［19］
	人体粪便 Human feces	普雷沃氏菌、脆弱拟杆菌、普氏粪杆菌等	宏基因组学和培养组学相结合	微生物信息、菌株-菌株/宿主互作信息丰富，靶向筛选功能菌	句英娇等^［20］
	肉鸡盲肠 Broiler cecum	果囊乳杆菌、粪肠球菌、乳杆菌、拟杆菌等	16S rDNA测序、不同时间/培养基培养、MALDI-TOF MS技术	可培养出未培养或难培养的菌株，简单、快速、高通量	黄明星 ^［21］
	乙肝患者粪便 Feces of patients with hepatitis B	拟杆菌属、肠球菌属、肠球菌属、链球菌属等	厌/需氧培养基、MALDI-TOF MS检测、16S rDNA测序	提高对菌群失调和乙肝病毒关系的认识	Magdy Wasfy等^［22］
自然环境 Natural environment	森林沉积物 Forest sediment	热带念珠菌、粪壳菌纲、散囊菌纲、座囊菌纲等	真菌富集培养法和真菌分离芯片	提高未培养真菌的分离与检测效率	Li等^［23］
	海洋沉积物 Marine sediment	放线菌、黄叶杆菌、疣状菌等	微胶囊原位培养	筛选出更多菌种	Pope等^［24］
	苜蓿根部 Alfalfa roots	草木樨中华根瘤菌、苜蓿根瘤菌、荣杆菌属、新鞘脂菌属等	纯植物性培养基、16S rDNA测序	显著提高苜蓿根部内生菌的可培养数量	Hagazi等^［25］

表1

表2

表3

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类别 Category	方法 Methods	功能 Functions	应用 Applications	优点 Advantages	参考文献 References
微囊封装 Microcapsule encapsulation	凝固琼脂糖微胶囊	封装单个细胞	鉴定并分离浮游菌和α变形菌	应用环境广	Zengler等^［9］
微囊封装 Microcapsule encapsulation	海藻酸盐微胶囊	将细菌与海藻酸钠溶液混合后，滴入含Ca²⁺的溶液中，将微生物包裹培养	培养疣状微生物和Epsilonproteo	可模拟天然微环境，避免种间抑制，提高菌株存活率	Ji等^［44］、Börner等^［45］
基于特定标记分选 Marker-specific sorting	荧光激活	将目标微生物荧光标记，通过仪器检测荧光信号，筛选具有特殊功能的菌种	根据液滴特性对封装微生物进行分选	精准定位功能菌，避免不必要干扰	Eun等^［46］、Zang等^［47］、Espina^［48］
微环境培养 Microenvironment cultivation	微生物液滴培养系统	根据需要对液滴进行操纵培养	将液滴封装在聚磺酸盐膜内，实现细胞与环境隔离培养	可对生长缓慢的微生物进行单独培养	Jian等^［49］、Ben-Dov等^［50］
微环境培养 Microenvironment cultivation	微生物观察和培养阵列	不需要任何复杂设备，进行小规模微生物培养	分离海洋微生物，包括假交替单胞菌属、希瓦氏菌属、科尔韦利亚属	系统更简单，可在较小的体系中利用不同培养基进行培养	Gao等^［51］
拉曼细胞分选 Raman-activated cell sorting	单细胞拉曼光谱	激光与样品作用激发化学键振动或旋转以识别分子指纹，结合共聚焦显微镜等实现单细胞检测	对细胞功能进行定量及多方面研究	高通量，高纯度	Yan等^［52］
光镊技术 Optical tweezers		使用高度聚焦的激光束来捕捉和操纵微观的中性物体	分离海洋微生物	无需物理接触即可在无菌封闭室中实现细胞分离	Liu等^［53］

产物类型 Product types	代表产物 Representative products	底盘细胞 Chassis cells	应用 Applications	挑战 Challenges	突破方向 Breakthrough direction	参考文献 References
医药 Medical drugs	青蒿酸	酿酒酵母	产量从0.1 g/L提高到25 g/L，治疗疟疾	氧化酶活性低，生产效率低	优化宿主中氧化酶性能	Ro等^［61］、Barbacka等^［62］
	白藜芦醇	酿酒酵母、大肠杆菌	产量约5 g/L，预防糖尿病、癌症	底盘微生物生长受产物抑制	构建耐受性底盘细胞	Wu等^［63］、Liu等^［64］
	类胡萝卜素	酿酒酵母	滴度达到2.09 g/L，降低慢性病风险	产率较低	诱变和高通量筛选结合，选育高产菌株	Cho等^［65］、Liu等^［66］、Lin等^［67］
燃料 Fuels	生物乙醇	蓝藻菌	清洁燃料	生产效率低	利用基因编辑技术敲除竞争途径基因	Zhao等^［68］、Luan等^［69］
燃料 Fuels	丁醇	梭菌	航空燃料	原料成本高，产物自身抑制微生物生长	发掘具有丁醇耐受基因菌株	Borden等^［70］
生物材料 Biomaterials	聚羟基脂肪酸酯	假单胞菌	降解塑料	产率低，底物成本高	简化提取过程，降低成本	Ene等^［71］
	聚乳酸	酿酒酵母、大肠杆菌	食品包装	耐热性差	在聚乳酸链中引入其他单体形成共聚物	Yang等^［72］
	透明质酸	枯草芽孢杆菌	关节润滑剂	生产成本高	利用低成本碳源	Vu等^［73］
化学制品 Chemical products	1，3-丙二醇	大肠杆菌	聚酯纤维	底物转化率低	平衡合成途径中碳流分布	Yang等^［74］
	琥珀酸	大肠杆菌	酸化剂	pH敏感，副产物积累多	构建pH耐受菌株，沉默副产物代谢途径	Yan等^［75］
	抗生素	链霉菌	抗感染药物（青霉素）	底物成本高，发酵周期长	重构代谢途径，低成本碳源生产	Alam等^［76］