Sinh thái học và Đa dạng Vi sinh vật

Sinh thái học và đa dạng vi sinh vật nghiên cứu sự đa dạng đáng kinh ngạc của các vi sinh vật, mối quan hệ tiến hóa của chúng, và vai trò của chúng trong các quần xã và hệ sinh thái trên khắp sinh quyển.

Definition

Sinh thái học và đa dạng vi sinh vật là nghiên cứu về sự đa dạng của các vi sinh vật, mối quan hệ tiến hóa của chúng, và sự tương tác của chúng với nhau và với môi trường của chúng.

Scope

Lĩnh vực này bao gồm tổ chức phát sinh loài của sự sống thành ba giới dựa trên trình tự phân tử; sự đa dạng của vi khuẩn, vi khuẩn cổ và sinh vật nhân chuẩn vi sinh; vi khuẩn cổ và sinh vật ưa cực phát triển mạnh trong môi trường khắc nghiệt; cấu trúc và chức năng của quần xã vi sinh vật và màng sinh học; hệ vi sinh vật liên kết với vật chủ; và các phương pháp phân tử không phụ thuộc nuôi cấy giúp tiết lộ phần lớn các loài chưa được nuôi cấy. Nó coi vi sinh vật là nền tảng của các chu trình địa hóa sinh học và chức năng hệ sinh thái.

Sub-topics

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

Core questions

• Các vi sinh vật có mối quan hệ như thế nào với nhau và với các dạng sống khác?
• Điều gì giải thích cho sự đa dạng rộng lớn của sự sống vi sinh vật?
• Các quần xã vi sinh vật hình thành và hoạt động như thế nào?
• Các phương pháp phân tử tiết lộ các vi sinh vật không thể nuôi cấy như thế nào?

Key theories

Cây sự sống ba giới

So sánh trình tự RNA ribosome cho thấy sự sống được chia thành ba giới, Vi khuẩn (Bacteria), Vi khuẩn cổ (Archaea) và Sinh vật nhân chuẩn (Eukarya), trong đó vi khuẩn cổ tạo thành một dòng dõi riêng biệt, định hình lại sự hiểu biết về mối quan hệ tiến hóa.

Cái nhìn phân tử về đa dạng vi sinh vật

Giải trình tự gen RNA ribosome không phụ thuộc nuôi cấy từ môi trường cho thấy phần lớn sự đa dạng vi sinh vật chưa bao giờ được nuôi cấy, làm thay đổi ước tính về mức độ và cấu trúc của sự sống vi sinh vật.

Mechanisms

Mối quan hệ phát sinh loài giữa các vi sinh vật được suy ra từ các trình tự phân tử được bảo tồn, đặc biệt là gen RNA ribosome, đóng vai trò như đồng hồ tiến hóa. Các phương pháp không phụ thuộc nuôi cấy khuếch đại và giải trình tự các gen này trực tiếp từ các mẫu môi trường, tiết lộ thành phần quần xã mà không cần nuôi cấy. Trong các quần xã, vi sinh vật tương tác thông qua cạnh tranh, hợp tác và trao đổi chất, tổ chức thành các tập hợp có cấu trúc như màng sinh học và hệ vi sinh vật thúc đẩy các quá trình của hệ sinh thái.

Clinical relevance

Các quần xã vi sinh vật thúc đẩy chu trình toàn cầu của carbon, nitơ, lưu huỳnh và các nguyên tố khác, duy trì độ phì nhiêu của đất và chất lượng nước, đồng thời hình thành các hệ vi sinh vật liên kết với vật chủ ảnh hưởng đến sinh học của thực vật và động vật, làm cho sinh thái học vi sinh vật trở thành nền tảng cho khoa học môi trường, nông nghiệp và nghiên cứu liên quan đến sức khỏe.

History

Sinh thái học vi sinh vật được Winogradsky và Beijerinck thành lập vào cuối thế kỷ XIX. Các nghiên cứu về RNA ribosome của Carl Woese vào những năm 1970 đã tiết lộ ba giới của sự sống và sự khác biệt của vi khuẩn cổ, và Norman Pace cùng những người khác sau đó đã sử dụng các phương pháp phân tử để chỉ ra rằng phần lớn sự đa dạng vi sinh vật trong tự nhiên vẫn chưa được nuôi cấy.

Key figures

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

Seminal works

• woese1977
• pace1997
• madigan2018

Frequently asked questions

Tại sao hầu hết các vi sinh vật được cho là không thể nuôi cấy?

Các khảo sát phân tử về môi trường tự nhiên phát hiện ra sự đa dạng vi sinh vật nhiều hơn đáng kể so với những gì có thể nuôi cấy trong phòng thí nghiệm, bởi vì hầu hết các vi sinh vật có yêu cầu tăng trưởng cụ thể hoặc chưa biết. Giải trình tự không phụ thuộc nuôi cấy tiết lộ những sinh vật này mặc dù chúng chưa được nuôi cấy.

Ba giới của sự sống là gì?

Dựa trên so sánh trình tự phân tử, sự sống được chia thành ba giới: Vi khuẩn (Bacteria), Vi khuẩn cổ (Archaea) và Sinh vật nhân chuẩn (Eukarya). Vi khuẩn cổ là sinh vật nhân sơ tạo thành một dòng dõi riêng biệt với vi khuẩn, một khám phá đã định hình lại quan điểm về mối quan hệ tiến hóa.