Микробная экология и разнообразие

Микробная экология и разнообразие исследуют поразительное многообразие микроорганизмов, их эволюционные взаимосвязи и роли, которые они играют в сообществах и экосистемах по всей биосфере.

Definition

Микробная экология и разнообразие — это исследование многообразия микроорганизмов, их эволюционных взаимосвязей и их взаимодействий друг с другом и с окружающей средой.

Scope

Эта область охватывает филогенетическую организацию жизни на три домена на основе молекулярных последовательностей; разнообразие бактерий, архей и микробных эукариот; археи и экстремофилы, процветающие в суровых условиях; структуру и функции микробных сообществ и биопленок; ассоциированные с хозяином микробиомы; а также культурально-независимые молекулярные методы, которые выявляют некультивируемое большинство. Она рассматривает микробы как основу биогеохимических циклов и функционирования экосистем.

Sub-topics

• Archaea and Extremophiles
• Microbial Communities and Biofilms
• Microbial Phylogeny and the Three Domains
• Microbiomes and Host Associations

Core questions

• Как микроорганизмы связаны друг с другом и с другой жизнью?
• Что объясняет огромное разнообразие микробной жизни?
• Как микробные сообщества формируются и функционируют?
• Как молекулярные методы выявляют микробы, которые невозможно культивировать?

Key theories

Трехдоменное древо жизни

Сравнение последовательностей рибосомальной РНК показало, что жизнь делится на три домена: Бактерии, Археи и Эукариоты, причем археи образуют отдельную линию, что изменило понимание эволюционных взаимосвязей.

Молекулярный взгляд на микробное разнообразие

Культурально-независимое секвенирование генов рибосомальной РНК из окружающей среды показало, что подавляющее большинство микробного разнообразия никогда не культивировалось, что изменило оценки масштабов и структуры микробной жизни.

Mechanisms

Филогенетические взаимосвязи между микробами выводятся из консервативных молекулярных последовательностей, особенно генов рибосомальной РНК, которые служат эволюционными хронометрами. Культурально-независимые методы амплифицируют и секвенируют эти гены непосредственно из образцов окружающей среды, выявляя состав сообщества без культивирования. Внутри сообществ микробы взаимодействуют посредством конкуренции, кооперации и метаболического обмена, организуясь в структурированные сообщества, такие как биопленки и микробиомы, которые управляют экосистемными процессами.

Clinical relevance

Микробные сообщества управляют глобальным круговоротом углерода, азота, серы и других элементов, поддерживают плодородие почв и качество воды, а также формируют ассоциированные с хозяином микробиомы, которые влияют на биологию растений и животных, что делает микробную экологию фундаментальной для наук об окружающей среде, сельского хозяйства и исследований, связанных со здоровьем.

History

Микробная экология была основана Виноградским и Бейеринком в конце XIX века. Исследования рибосомальной РНК Карла Вёзе в 1970-х годах выявили три домена жизни и отличительность архей, а Норман Пейс и другие позднее использовали молекулярные методы, чтобы показать, что большая часть микробного разнообразия в природе остается некультивируемой.

Key figures

• Carl Woese
• Norman Pace
• Sergei Winogradsky
• Martinus Beijerinck

Seminal works

• woese1977
• pace1997
• madigan2018

Frequently asked questions

Почему большинство микробов считаются некультивируемыми?

Молекулярные исследования природных сред выявляют гораздо больше микробного разнообразия, чем может быть выращено в лаборатории, поскольку большинство микробов имеют специфические или неизвестные требования к росту. Культурально-независимое секвенирование позволяет обнаружить эти организмы, даже если они не были культивированы.

Каковы три домена жизни?

На основе сравнений молекулярных последовательностей жизнь делится на три домена: Бактерии, Археи и Эукариоты. Археи — это прокариоты, образующие линию, отличную от бактерий, открытие, которое изменило представления об эволюционных взаимосвязях.