上海交通大学通识教育立项核心课程 课程名称：生物技术与人类课程号：BL913班级号：F1305103 姓名： 关麟 学号： 5130519065专业材料科学与工程学院 阅读与理解 题目编号 8 得分 序 阅读文章名称 1 A new hominin foot from Ethiopia shows multiple Pliocene bipedal adaptations 2 Additive threats from pathogens,climate and land-use change for global amphibian diversity 3 Causes,consequences and ethics 4 Changing Arctic Ocean freshwater pathways 5 Clonal evolution in relapsed acute myeloid leukaemia revealed by whole-genome sequencing 6 Comparing the yields of organic and conventional agriculture 1 Consequences of changing 8 Ecology drives a global network of gene exchange connecting the human microbiome 9 Emerging fungal threats to animal,plant and ecosystem health 10 Evolution of increased complexity in a molecular machine 11 Genetic contribution to stability and change in intelligence from childhood to old age 12 Getting the measure of biodiversity 13 Global patterns in biodiversity 14 Global warming preceded by increasing carbon dioxide concentrations during the last deglaciation 15 Insights into hominid evolution from the gorilla genome sequence 16 Prediction mutation outcome from early stochastic variation in genetic interaction partners 17 Rapid evolutionary divergence and ecotypic diversification of germination behavior in weedy rice populations 18 Recent contribution of glaciers and ice caps to sea level rise 19 Regeneration of whole fertile plants from 30000-y-old fruit tissue buried in Siberian permafrost 20 Reversal of cocaine-evoked synaptic potentiation resets drug-induced adaptive behaviour 21 Stability and complexity in model ecosystems 22 Stability criteria for complex ecosystems 23 Systematic conservation planning 24 The diversity-stability debate 25 The Medicago genome provides insight into the evolution of rhizobial symbioses 26 Twenty-first-century warming of a large Antarctic ice-shelf cavity by a redirected coastal current 27 Will a Large Complex System be Stable
上海交通大学通识教育立项核心课程 课程名称： 生物技术与人类 课程号： BI 913 班级号： F1305103 姓名： 关麟 学号： 5130519065 专业 材料科学与工程学院 阅读与理解 题目编号 8 得分 序 号 阅读文章名称 1 A new hominin foot from Ethiopia shows multiple Pliocene bipedal adaptations 2 Additive threats from pathogens, climate and land-use change for global amphibian diversity 3 Causes, consequences and ethics 4 Changing Arctic Ocean freshwater pathways 5 Clonal evolution in relapsed acute myeloid leukaemia revealed by whole-genome sequencing 6 Comparing the yields of organic and conventional agriculture 7 Consequences of changing 8 Ecology drives a global network of gene exchange connecting the human microbiome 9 Emerging fungal threats to animal,plant and ecosystem health 10 Evolution of increased complexity in a molecular machine 11 Genetic contribution to stability and change in intelligence from childhood to old age 12 Getting the measure of biodiversity 13 Global patterns in biodiversity 14 Global warming preceded by increasing carbon dioxide concentrations during the last deglaciation 15 Insights into hominid evolution from the gorilla genome sequence 16 Prediction mutation outcome from early stochastic variation in genetic interaction partners 17 Rapid evolutionary divergence and ecotypic diversification of germination behavior in weedy rice populations 18 Recent contribution of glaciers and ice caps to sea level rise 19 Regeneration of whole fertile plants from 30000-y-old fruit tissue buried in Siberian permafrost 20 Reversal of cocaine-evoked synaptic potentiation resets drug-induced adaptive behaviour 21 Stability and complexity in model ecosystems 22 Stability criteria for complex ecosystems 23 Systematic conservation planning 24 The diversity–stability debate 25 The Medicago genome provides insight into the evolution of rhizobial symbioses 26 Twenty-first-century warming of a large Antarctic ice-shelf cavity by a redirected coastal current 27 Will a Large Complex System be Stable
Ecology drives a global network of gene exchange connecting the human microbiome 中文题目：生态学驱动下的人类微生物基因交换的全球网络 姓名：关麟 单位：材料科学与工程学院，邮政编码：200240 前言 水平基因转移(Horizontal gene transfer,.HGT)是细菌非遗传的一种重要进化 方式，使得细菌的抗生素抗性等遗传性状在不断的进化中发生了巨大的变化，更 加有利于其适应环境与继续生存，并大大增加了其进化的速度'，因此这种生物进 化的方式也成为了人们研究微生物的热点？。同时，寄生于人体内环境中的细菌等 微生物，如大肠杆菌，对人体健康的危害并没有随着人类饮食方式和医疗条件的 改善而迅速消失，依然有些细菌在进化和变异中不断为人类带来疾病3。所以，人 们开始将基因在不同细菌中的转移程度和人们的身体内环境相联系，试图研究生 态因素的不同与基因转移成功率之间的关系，并且以此来解释为什么生物体内环 境中，尤其是人类体内的细菌进化速度为何如此之快，而在非生命环境中或者不 同生命体内环境中的细菌在相遇的时候很难产生变化。 基因水平转移加深了人们对微生物进化的认识，并且是否每个基因都具有相 同的转移能力也是人们进一步需要研究的课题。同时，随着科技手段的不断提升， 人们对基因的检测手段也逐渐改进，己经可以较为准确的量化测量基因的转移频 1摘自Mechanisms of,.and barriers to,horizontal gene transfer between bacteria,.原文为Bacteria evolve rapidly not only by mutation and rapid multiplication,but also by transfer of DNA,which can result in strains with beneficial mutations from more than one parent. 2摘自Gene transfer between distantly related bacteria,原文为The study of bacterial gene transfer systems,,starting in the 1940s,was a major influence on the development of biological science. 3摘自Evolution of symbiotic bacteria in the distal human intestine,原文为The results show that lateral gene transfer,mobile elements,and gene amplification have played important roles in affecting the ability of gut-dwelling Bacteroidetes to vary their cell surface,sense their environment,and harvest nutrient resources present in the distal intestine
1 Ecology drives a global network of gene exchange connecting the human microbiome 中文题目：生态学驱动下的人类微生物基因交换的全球网络 姓名：关麟 单位：材料科学与工程学院，邮政编码：200240 前言 水平基因转移（Horizontal gene transfer, HGT）是细菌非遗传的一种重要进化 方式，使得细菌的抗生素抗性等遗传性状在不断的进化中发生了巨大的变化，更 加有利于其适应环境与继续生存，并大大增加了其进化的速度1，因此这种生物进 化的方式也成为了人们研究微生物的热点2。同时，寄生于人体内环境中的细菌等 微生物，如大肠杆菌，对人体健康的危害并没有随着人类饮食方式和医疗条件的 改善而迅速消失，依然有些细菌在进化和变异中不断为人类带来疾病3。所以，人 们开始将基因在不同细菌中的转移程度和人们的身体内环境相联系，试图研究生 态因素的不同与基因转移成功率之间的关系，并且以此来解释为什么生物体内环 境中，尤其是人类体内的细菌进化速度为何如此之快，而在非生命环境中或者不 同生命体内环境中的细菌在相遇的时候很难产生变化。 基因水平转移加深了人们对微生物进化的认识，并且是否每个基因都具有相 同的转移能力也是人们进一步需要研究的课题。同时，随着科技手段的不断提升， 人们对基因的检测手段也逐渐改进，已经可以较为准确的量化测量基因的转移频 1 摘自 Mechanisms of, and barriers to, horizontal gene transfer between bacteria，原文为 Bacteria evolve rapidly not only by mutation and rapid multiplication, but also by transfer of DNA, which can result in strains with beneficial mutations from more than one parent. 2 摘自 Gene transfer between distantly related bacteria，原文为 The study of bacterial gene transfer systems, starting in the 1940s, was a major influence on the development of biological science. 3 摘自 Evolution of symbiotic bacteria in the distal human intestine，原文为 The results show that lateral gene transfer, mobile elements, and gene amplification have played important roles in affecting the ability of gut-dwelling Bacteroidetes to vary their cell surface, sense their environment, and harvest nutrient resources present in the distal intestine
率，为这项研究的细致和深入奠定了基础。 背景知识 本文论证观点的关键步骤是基因转移率的测量，其结果的准确性决定了文章 分析的正确程度。作者采用的方法是检测细菌中水平转移的16 S rRNA基因的量来 推算基因转移的频率。 16 S rRNA基因是细菌上编码rRNA相对应的DNA序列，其特点是存在于所 有细菌的基因组中，并且具有高度的保守性和特异性，因此可以通过比较RNA 的种类来判断是否有新的DNA序列进入了细菌中。同时，RNA的基因序列足够 长，包含了约50个功能域，因此可以通过它更加细致地判断究竞是怎样功能或种 类的基因，以及大约多长的基因转入了细菌中。 创新点 首先，文章论题的出发点就非常与众不同。大多数研究人员对基因和DNA的 研究处于微观层面，比如DNA在化学物质的影响下产生的变异，或者通过改变化 学或物理环境来研究DNA的理化性质，对DNA水平转移的认识也仅停留在微观 和简单外界作用的情况下。可见，传统的研究并没有确切解释生态环境对细菌基 因交换产生的作用，很大程度上限制了我们对微生物的认识4。而本文章中提出了 从生态学的角度研究微生物的水平基因交换，很好地弥补了这方面研究的空白， 同时生态学也是一个较为宏观的概念，即使是人体的微观内环境对于寄生细菌而 言也是一个极为复杂和广阔的环境，这种环境中的变量种类繁多，因此研究只能 通过宏观上的分类来大致进行。不过这样的研究已经尝试将微观下DNA的转移和 宏观的生态环境结合了起来，更具有实用的价值，也让我们对DNA有了新的认识。 文章中将不同长度的16 S rRNA基因的转移率从不同的生态条件下生存的细 4Unprecedented levels of horizontal gene transfer among spatially co-occurring Shewanella bacteria fromthe Baltic Sea,However,a robust understanding of the rates of genetic exchange for most bacterial species under natural conditions and the influence of the ecological settings on the rates remain elusive,severely limiting our view of the microbial world. 2
2 率，为这项研究的细致和深入奠定了基础。 背景知识 本文论证观点的关键步骤是基因转移率的测量，其结果的准确性决定了文章 分析的正确程度。作者采用的方法是检测细菌中水平转移的 16S rRNA 基因的量来 推算基因转移的频率。 16S rRNA 基因是细菌上编码 rRNA 相对应的 DNA 序列，其特点是存在于所 有细菌的基因组中，并且具有高度的保守性和特异性，因此可以通过比较 rRNA 的种类来判断是否有新的 DNA 序列进入了细菌中。同时，rRNA 的基因序列足够 长，包含了约 50 个功能域，因此可以通过它更加细致地判断究竟是怎样功能或种 类的基因，以及大约多长的基因转入了细菌中。 创新点 首先，文章论题的出发点就非常与众不同。大多数研究人员对基因和 DNA 的 研究处于微观层面，比如 DNA 在化学物质的影响下产生的变异，或者通过改变化 学或物理环境来研究 DNA 的理化性质，对 DNA 水平转移的认识也仅停留在微观 和简单外界作用的情况下。可见，传统的研究并没有确切解释生态环境对细菌基 因交换产生的作用，很大程度上限制了我们对微生物的认识4。而本文章中提出了 从生态学的角度研究微生物的水平基因交换，很好地弥补了这方面研究的空白， 同时生态学也是一个较为宏观的概念，即使是人体的微观内环境对于寄生细菌而 言也是一个极为复杂和广阔的环境，这种环境中的变量种类繁多，因此研究只能 通过宏观上的分类来大致进行。不过这样的研究已经尝试将微观下 DNA 的转移和 宏观的生态环境结合了起来，更具有实用的价值，也让我们对 DNA 有了新的认识。 文章中将不同长度的 16S rRNA 基因的转移率从不同的生态条件下生存的细 4 摘自 Unprecedented levels of horizontal gene transfer among spatially co-occurring Shewanella bacteria fromthe Baltic Sea，原文为 However, a robust understanding of the rates of genetic exchange for most bacterial species under natural conditions and the influence of the ecological settings on the rates remain elusive, severely limiting our view of the microbial world
菌测得的数据做成折线图来进行比较和分析，很直观地反映了在不同条件下不同 长度的基因的转移能力。并且本文章还讨论了不同种类的DNA(如抗生素抗性基 因)的转移能力和转移的总体情况的比较，非常全面的诠释了生态环境对水平基 因转移的影响。 同时，文章对生态环境的认识不仅局限于生物体内环境，海洋等外界环境中， 还讨论了一些特定情况下，如相同耐氧能力，致病性或者共生的细菌的基因转移 能力，并且与理论值进行比较，表明了生态学对基因交换的巨大影响。 读后感 一直以来我比较不关注身体内寄生的微生物，认为只要饮食上注意健康，防 止“病从口入”，寄生的细菌就自然不会对身体产生影响。本文让我对生体内的微 生物的生存能力，以及微生物的进化方式有了更深刻的认识，对生态系统作用于 水平基因转移的学术方面也有了一些了解。 首先，生态环境对微生物的水平基因转移有着巨大的作用。可以从文章中的 实验数据得出，在人体内环境中寄生的细菌基因转移的概率比非人体环境中高得 多，即使在人体不同位置寄生的细菌之间的基因转移概率也很大：而与人体无关 的细菌，在相同的环境中生存的细菌的转移概率也会比不同环境下的转移概率高 很多，说明了人体内环境帮助了细菌的基因交流，促进了它们的进化。并且文章 后面还对具有相同生活习性或性质（耐氧能力，毒性）的细菌间的基因转移情况 进行了研究，发现其转移率高于理论值，同时之前的研究也表明细菌实际的进化 速度和实验方法测得的值有着较大的偏差，而在本文中尤其在基因长度很低的时 候，这种偏差格外明显，更加说明了适应相同生态环境的细菌间基因的交流更频 繁。 其次，论文中还对抗生素抗性基因的转移进行了研究，研究的成果表明在人 体中的细菌抗生素基因的转移率高于总体基因的转移率，说明人体环境促进了细 菌的繁殖与生长，从另一个层面上解释了为什么寄生在人体中的细菌很难被消除 的原因。 s摘自Calibrating bacterial evolution,原文为However,.there is evidence that bacteria have a constant genome-wide mutation rate on an evolutionary time scale but that this rate differs dramatically from the rate estimated by experimental methods. 3
3 菌测得的数据做成折线图来进行比较和分析，很直观地反映了在不同条件下不同 长度的基因的转移能力。并且本文章还讨论了不同种类的 DNA（如抗生素抗性基 因）的转移能力和转移的总体情况的比较，非常全面的诠释了生态环境对水平基 因转移的影响。 同时，文章对生态环境的认识不仅局限于生物体内环境，海洋等外界环境中， 还讨论了一些特定情况下，如相同耐氧能力，致病性或者共生的细菌的基因转移 能力，并且与理论值进行比较，表明了生态学对基因交换的巨大影响。 读后感 一直以来我比较不关注身体内寄生的微生物，认为只要饮食上注意健康，防 止“病从口入”，寄生的细菌就自然不会对身体产生影响。本文让我对生体内的微 生物的生存能力，以及微生物的进化方式有了更深刻的认识，对生态系统作用于 水平基因转移的学术方面也有了一些了解。 首先，生态环境对微生物的水平基因转移有着巨大的作用。可以从文章中的 实验数据得出，在人体内环境中寄生的细菌基因转移的概率比非人体环境中高得 多，即使在人体不同位置寄生的细菌之间的基因转移概率也很大；而与人体无关 的细菌，在相同的环境中生存的细菌的转移概率也会比不同环境下的转移概率高 很多，说明了人体内环境帮助了细菌的基因交流，促进了它们的进化。并且文章 后面还对具有相同生活习性或性质（耐氧能力，毒性）的细菌间的基因转移情况 进行了研究，发现其转移率高于理论值，同时之前的研究也表明细菌实际的进化 速度和实验方法测得的值有着较大的偏差5，而在本文中尤其在基因长度很低的时 候，这种偏差格外明显，更加说明了适应相同生态环境的细菌间基因的交流更频 繁。 其次，论文中还对抗生素抗性基因的转移进行了研究，研究的成果表明在人 体中的细菌抗生素基因的转移率高于总体基因的转移率，说明人体环境促进了细 菌的繁殖与生长，从另一个层面上解释了为什么寄生在人体中的细菌很难被消除 的原因。 5 摘自 Calibrating bacterial evolution，原文为 However, there is evidence that bacteria have a constant genome-wide mutation rate on an evolutionary time scale but that this rate differs dramatically from the rate estimated by experimental methods
微生物的进化方式比人类更加丰富，适应环境的能力也比人类强很多。了解 了生态学与基因交换网络的关系之后，我想这为我们了解微生物在怎样的条件下 进化得更快提供了帮助，也可以指导我们如何培养进化的细菌或者杀灭有害的细 菌。这篇论文在完善了生物学理论，让人类更加了解自我和其它寄生生命体关系 的同时，也在工程方面做出了贡献，使生物技术更好地为人类服务。 参考文献： 1.Thomas,C.M.Nielsen,K.M.Mechanisms of,and barriers to,horizontal gene transfer between bacteria.Nature Rev.Microbiol.3,711-721(2005). 2.Mazodier,P.Davies,J.Gene transfer between distantly related bacteria.Annu. Rev.Genet..25,147-171(2011). 3.Xu,J.et al.Evolution of symbiotic bacteria in the distal human intestine.PLoS Biol. 5,e156(2007). 4.Caro-Quintero,A.et al.Unprecedented levels of horizontal gene transfer among spatially co-occurring Shewanella bacteria fromthe Baltic Sea.ISME J.5,131-140 (2010) 5.Ochman,H.,Elwyn,S.Moran,N.A.Calibrating bacterial evolution.Proc.Natl Acad.Sci.USA96,12638-12643(1999)
4 微生物的进化方式比人类更加丰富，适应环境的能力也比人类强很多。了解 了生态学与基因交换网络的关系之后，我想这为我们了解微生物在怎样的条件下 进化得更快提供了帮助，也可以指导我们如何培养进化的细菌或者杀灭有害的细 菌。这篇论文在完善了生物学理论，让人类更加了解自我和其它寄生生命体关系 的同时，也在工程方面做出了贡献，使生物技术更好地为人类服务。 参考文献： 1. Thomas, C. M. & Nielsen, K. M. Mechanisms of, and barriers to, horizontal gene transfer between bacteria. Nature Rev. Microbiol. 3, 711–721 (2005). 2. Mazodier, P. & Davies, J. Gene transfer between distantly related bacteria. Annu. Rev. Genet. 25, 147–171 (2011). 3. Xu, J. et al. Evolution of symbiotic bacteria in the distal human intestine. PLoS Biol. 5, e156 (2007). 4. Caro-Quintero, A. et al. Unprecedented levels of horizontal gene transfer among spatially co-occurring Shewanella bacteria fromthe Baltic Sea. ISME J. 5, 131–140 (2010). 5. Ochman, H., Elwyn, S. & Moran, N. A. Calibrating bacterial evolution. Proc. Natl Acad. Sci. USA 96, 12638–12643 (1999)