具体说明草坪草按地理海拔气温计算公式分布与温度的生态适应分类并分别举例?

浅谈园林植物配置 篇一

浅谈园林植物配置-园林绿化

摘要:园林植物配置是将不同植物材料组成一个有机整体的过程,它是一门动态的艺术:一方面,它是可从多种角度观赏的三维艺术品;另一方面,所用植物材料也会随着季节和年龄变化而变更,春去秋来,植栽设计总能不断带给我们新鲜的感受,而绿地植物配置的优劣是直接影响其景观风貌及生态环境的关键因素之一,植物配置在园林设计中起着非常重要的作用,在运用植物进行配置时,既要考虑植物配置的艺术要求,又要考虑植物配置原则,合理配置园林中的各种植物,以发挥他们的园林功能和观赏特性,创造出优美的景观效果。关键词:园林;植物;配置

植物是城市绿地景观最重要的组成部分,园林绿地中植物配置的好坏也是评价城市环境景观水平高低的一个重要窗口,植物景观在园林绿化中占相当大的比例,无论在发挥生态效益、创造优美环境,还是在景观营造中都起着非常重要的作用,优秀的植物配置设计能够产生美感,它无论在哪里都可以成为一个符号或者是标志,它的功能就如同城市中显著的建筑物或雕塑,可以记载一个地区的历史,传播一个城市的文化,所以本文就将对园林植物配置方面予以简单的阐述。

一、园林植物配置总体要求

园林植物群落配置总体上要做到:在遵循生态学的基础上,融合美学要求,体现植物配置的景观功能。具体来讲,就是园区植物配置首先要遵循植物生长的自然规律及对环境条件的具体要求,因地制宜地进行科学配置,使各类植物各得其所,使乔木、灌木、地被、攀援、水生及常绿、落叶、草本等植物互生共存,在进行园林植物配置时,要注重乔、灌、草立体空间搭配,从而增加绿量、提高绿地生态效益,进而提高园区内环境质量。

二、园林植物配置的原则

园林植物配置的原则包括以下几个方面:一是要适应绿地功能的要求,获得较好的生态效益。居住区的各类绿地都有各自的功能要求,但是其主要功能都是发挥生态效益,改善和保护居住的生态环境,因此绿地的植物配置要以绿为主,利用各种植物材料构成绿地结构,创造良好的生态效益;二是要乔灌木结合,常绿与落叶,速生与慢长相结合,乔灌木与地被、草皮相结合,适应点缀草花,构成多层次的复合结构创造良好的生态效益;三是植物配置在统一基调的基础上,树种要力求丰富有变化,以避免种类单调,配置形式雷同,而且树种选择和配置方式要适合不同绿地的要求;四是要配置传统性植物,创造居住环境的地方特点。

三、园林植物配置中应注意问题

一是要塑造植物,形色兼备。利用修剪的绿篱,丰富层次,勾勒轮廓,作为背景是近几年来比较灵活运用的一种手法,在现代化的城市绿化中,绿篱不仅可以划分境界,还可以用它来分隔园中不同景区、组织景点的作用,可以作为基础种植,装饰建筑物、小品、喷泉、花坛,以及作为绿色屏障隐蔽不美观的地段,绿篱从高矮上可分为高篱、普通篱及低简陋,绿篱高度没有严格规定,通常以 点由叶芽状态开始向花芽状态转变的过程,称为“花芽分化”。

1、夏秋分化型 :绝大多数在早春和春夏间开花的观花树木,都在前一年的夏秋进行花芽分化。如:樱花、迎春、连翘、玉兰、紫藤、丁香、牡丹、山茶等。

2、冬春分化型 :原产暖地的一些树木,一般秋梢停止生长后至次年春季萌芽前,即于11月至翌年4月间这段时期中,花芽逐渐分化与形成。如:龙眼、荔枝,柑橘类的柑、橘、柚等。

3、当年分化型 :许多夏秋开花的树木,都在当年新梢上形成花芽并开花,不需要经过低温。如木槿、槐、紫薇、珍珠梅、荆条等

4、年内多次分化型 :在一年中能多次抽梢,每抽一次,就分化一次花芽并开花的树木。如:茉莉花、月季、葡萄、无花果、柠檬等。

5、不定期分化型 :热带原产的一些乔性草本植物,如香蕉、番木瓜等。香蕉吸芽展叶要达到一定叶片数即可分化,吸芽形成参差不齐,花芽分化期也各异。

一个正常的花芽,当花粉粒和胚囊发育成熟,花萼和花冠展开,这种现象称之为开花。

1、先花后叶类。如:迎春花、连翘、山桃、梅、杏、李、紫荆等

2、花、叶同放类。如:苹果、海棠、核桃、先花后叶类中的榆叶梅、桃和紫藤中某些开花较晚的品种和类型等。

3、先叶后花类。如:木槿、紫薇、凌霄、槐、桂花等

第三章 园林树木的作用

1、空气质量方面 吸收CO2,放出02;分泌杀菌素;吸收有毒气体;阻滞尘埃。

2、温度方面:夏季降温,冬季增温。

3、水分方面:净化水体,增加空气湿度。

4、光照方面:改善光质,保健视力

5、声音方面:降低噪音。

6、环境保护方面:涵养水源保持水土;防风固沙;滞尘;其他防护作用(防止火灾蔓延、减少放射性污染的危害、防雪、防浪、防海潮风和盐风);监测大气污染。

二、耐涝、耐旱、既耐涝又耐旱的树种

1、耐涝树种:垂柳、旱柳、龙爪柳、榔榆、桑、杜梨、柽柳、紫穗槐、悬铃木属3种、柿、葡萄、雪柳、白蜡、凌霄等。

2、耐旱树种:垂柳、旱柳、榔榆、小檗、枫香、枇杷、火棘、合欢、胡枝子类、紫穗槐、紫藤、臭椿、楝树、黄连木、君迁子、夹竹桃等。

3、既耐涝又耐旱的树种:柳类、桑、柘、榔榆、李类、紫穗槐、紫藤、夹竹桃、乌桕、楝、白蜡、雪柳、柽柳、山胡椒等。

华北地区习见乔木耐荫能力的顺序(由强到弱)为:冷杉属、云杉属、椴属、千金榆、槭属、红松、裂叶榆、圆柏、槐、水曲柳、胡桃楸、赤杨、春榆、白榆、板栗、黄檗、华山松、白皮松、油松、风桦、红桦、辽东栎、蒙古栎、白蜡树、槲树、栓皮栎、臭椿、刺槐、黑桦、白桦、杨属、柳属、落叶松属。

四、抗SO2、光化学烟雾、HCl、氟化物的树种

1、抗SO2的树种:臭椿、槐、榆树、加拿大杨、垂柳、旱柳、栾树、杜梨、山桃、君迁子等。

2、抗光化学烟雾的树种:银杏、夹竹桃、樟树、海州常山、悬铃木、连翘、美国鹅掌楸等。

3、抗HCl的树种:木槿、合欢、五叶地锦、构树、榆、接骨木、紫荆、槐、紫藤、紫穗槐等。

4、抗氟化物的树种:槐、臭椿、泡桐、悬铃木、白皮松、侧柏、丁香、山楂、紫穗槐、连翘等。

五、华北地区抗综合污染的树种

构树、臭椿、榆、皂荚、旱柳、加杨、刺槐、槐、桑、栾树、合欢、山桃、丝棉木、侧柏等。

六、抗风力强和易受风害的树种

一般言之,凡树冠紧密,材质坚韧,根系强大深广的树种,抗风力就强;而树冠庞大,材质柔软或硬脆,根系浅的树种,抗风力就弱。但是同一树种又因繁殖方法、立地条件和配植方式的不 同而异。用扦插繁殖的树木,其根系比用播种繁殖的浅,故易倒;在土壤松软而地下水位较高处亦易倒;孤立树和稀植的树比密植者易受风害,而以密植的抗风力最强。

1、抗风力强的有:马尾松、黑松、圆柏、胡桃、白榆、葡萄、臭椿、槐树、枣树、樱桃等。

2、抗风力弱受害较大的有:雪松、木棉、悬铃木、梧桐、加拿大杨、银白杨、泡桐、垂柳、刺槐、钻天杨、苹果等。

七、具有较强的隔音树种

龙柏、圆柏、柏木、雪松、水杉、云杉、柳杉、海桐、桂花、梧桐、鹅掌楸、榕树、樟树、臭椿、珊瑚树、垂柳、女贞、悬铃木等

八、抗燃防火功能的树种

在地震较多地区的城市以及木结构建筑较多的居民区,为了防止火灾蔓延,可应用不易燃烧的树种作隔离带,既起到美化作用又有防火作用。

树干有厚木栓层和富含水分的树种较抗燃,抗燃防火树种有:苏铁、银杏、靑冈栎、栲属、榕属、珊瑚树、棕榈、桃叶珊瑚、女贞、红楠、柃木、山茶、厚皮香、交让木、八角金盘、槲树等。

1、乔木类:柳、槭、胡桃、枫杨、水杉、云杉、冷杉、圆柏等。

2、灌木类:榛、夹竹桃、胡枝子、紫穗槐等。

十、单体建筑周边的四个方位的小气候特点及选择树种

单体建筑由于建筑物的存在,形成东、西、南、北四个垂直方位和屋顶。在北回归线以北地区绝大多数坐北朝南的长方形建筑,4个垂直方位改变了以光照为主的生态条件。

1、东面 一天有数小时光照,约15:00后形成庇荫地,光照强度不大,不会有过量的情况,比较柔和,适合一般树木。

2、南面 白天全天几乎有直射光,反射光也多,墙面辐射度也大,加上背风,空气不甚流通,温度高,生长季延长,春季物候早,冬季楼前土壤冻结晚,春季化冻早,形成特殊小气候,适于喜光和暖地的边缘树种。

3、西面 与东面相反,上午以前为庇荫地,下午形成西晒,尤以夏日为甚。光照时间虽短,但强度大,变化剧烈。西晒墙吸收累积热大,空气湿度小。适选耐燥热、不怕日灼的树木。

4、北面 背阴,其范围随纬度、太阳高度角而变化。以漫射光为主;经观察,北京(北纬40o)及以南广大地区,夏日早晨、傍晚有少量直射光。温度较低,相对湿度较大,风大,冬冷,北方易积雪和土壤冻结期长。适选耐寒、耐阴树种。

第四章 生态、群体以及影响因素

一、自然群体、栽培群体

1、自然群体(植物群落)是由生长在一定地区内,并适应于该区域环境综合因子的许多互有影响的植物个体所组成,它有一定的组成结构和外貌,它是依历史的发展而演变的。

2、栽培群体是完全由人类的栽培活动而创造的。它的发生,发展总规律虽然与自然群体相同,但是它的形成与发展的具体过程、方向和结果,都受人的栽培管理活动所支配。

1、生活型是植物对所在环境综合条件长期适应而表现在外貌上的类型。它是植物体与环境间某种程度上统一性的反映。生活型与分类学中的分类单位无关。具有相同生活型的各种植物,表示它们对环境的适应途径和方式是相同的。

2、生态型是同一植物由于长期适应不同环境而发生的变异性和分化性的个体群,这些个体群在形态,生态特性和生理特性上均有稳定性并有遗传性。

三、影响自然群体、栽培群体外貌的因素

1、优势种的生活型:群体的外貌主要取决于优势种的生活型。

2、密度:群体中植物个体的疏密程度与群体的外貌有着密切的关系。

3、种类的多寡 :群体中种类的多少,对其外貌有很大的影响。

6、植物生活期的长短:由于优势种寿命长短的不同,亦可影响群体的外貌。

8、层片:从植物语环境间的相互关系来讲,层片则更好的表明了其生态作用。

四、群体的生长发育的时期

1、群体的形成期(幼年期)自种子或根茎开始萌发到开花前的阶段属于此期。

2、群体的发育期(青年期)这是指群体中的优势种从始花,结实到树冠郁闭后的一段时期,或先从形成树冠(地上部分)的郁闭到开花结实时止的一段时期。

3、群体的相对稳定期(成年期)这是指群体经过自疏及组成成分间的生存竞争后的相对稳定阶段。

4、群体的衰老期及群体的更新与演替(老年及更替期)随着个体的衰老,群体所形成的环境逐渐发生巨大的变化,因而引起与之相适应的植物种类的生长状况的改变,因此造成群体优势种演替的条件导致新的优势种代替旧的优势种。

第五章 植物色系 花相 观赏分类

一、园林树木的花色色系

1、红色系花:海棠、桃、杏、梅、樱花、蔷薇、玫瑰、月季、石榴、牡丹、山茶、杜鹃花、合欢、榆叶梅。

2、黄色系花:迎春、迎夏、连翘、金钟花、桂花、黄刺玫、黄蔷薇、棣棠、黄牡丹、蜡梅、金花茶。

3、蓝色系花:紫藤、紫丁香、杜鹃花、木兰、八仙花、假连 翘、泡桐、木蓝、木槿、醉鱼草。

4、白色系花:茉莉、白丁香、白牡丹、白茶花、女贞、玉兰、珍珠梅、广玉兰、白兰、栀子花、梨、白杜鹃花。

二、春色叶树、秋色叶树、常色叶树、双色叶树、斑色叶树

1、春色叶树:春季新发生的嫩叶有显著不同叶色的树种。例如:春叶呈红色:臭椿、五角枫。

春叶呈紫红色:黄连木。

2、秋色叶树:秋季叶子能有显著变化的树种。

例如:秋叶呈红色或紫红色类者:五角枫、地锦、小檗、卫矛、山楂、火炬树。

秋叶呈黄或黄褐色者:银杏、白蜡、鹅掌楸、加拿大杨、柳、梧桐、无患子。

3、常色叶树:有些树的变种或变型,其叶常年均呈异色,而不必待秋季来临的树种。

例如:全年树冠呈紫色:紫叶小擘、紫叶李、紫叶碧桃。

全年叶均为金黄色:金叶圆柏、金叶雪松、金枝国槐。

全年叶均具斑驳彩纹:变叶木。

4、双色叶树:某些树种,其叶背与叶表的颜色显著不同的树种。

例如:银白杨、胡颓子、栓皮栎、青紫木

5、斑色叶类:绿叶上具有其他颜色的斑点或花纹的树种。例如:桃叶珊瑚、变叶木、金边大叶黄杨、银边大叶黄杨、银心大叶黄杨。

三、花相、纯式花相、衬式花相

1、花相:花或花序着生在树冠上的整体表现外貌。

2、纯式花相:在开花时,叶片尚未展开,全树只见花不见叶的一类。

3、衬式花相:在展叶后开花,全树花叶相衬。

4、不同花相的外貌特征:

(1)独生花相:本类较少,形较奇特,例如苏铁类(2)线条花相:本类花相大抵枝条较稀,枝条个性较突出,枝上的花朵成花序的排列也较稀。如连翘、珍珠绣球。

(3)星散花相:花朵或花序数量较少,且散布于全树冠各部。衬式星散花相的外貌是在绿色的树冠底色上,零星散布着一些花朵,有丽而不艳,秀而不媚之效。如珍珠梅、鹅掌楸等。纯式星散花相种类较多,花数少而分布稀疏,花感不烈,但亦疏落有致。

(4)团簇花相:花朵或花序形大而多,就全树而言,花感较强烈,但每朵或每个花序的花簇仍能充分表现其特色。如玉兰、木兰等。

(5)覆被花相:花或花序着生于树冠的表层,形成覆伞状。如泡桐,栾树,凤凰木,合欢等。

(6)密满花相:花或花序密生全树各小枝上,使树冠形成一个整体的大花团,花感最为强烈。如榆叶梅、火棘、樱花、碧桃等。(7)干生花相:花着生与茎干上,种类不多,大抵均产于热带湿润地区。如鱼尾葵。紫荆等。

四、各色果实的观果树木五种

1、果实呈红色者:小檗类、山楂、冬青、枸杞、火棘、樱桃、石榴。

2、果实呈黄色者:银杏、梅、杏、梨、木瓜、沙棘。

3、果实呈蓝色者:紫珠、葡萄、李、蓝果忍冬、桂花、十大功劳。

4、果实呈黑色者:水蜡、女贞、五加、鼠李、稠李、君迁子、金银花。

5、果实呈白色者:红瑞木、雪果、湖北花楸、陕甘花楸、西康花楸。

五、枝、干皮色彩具观赏性的树种

观枝树种:枝条具有美丽色彩的树木。枝具有观赏性的树种:红瑞木、野蔷薇、山杏、山桃、棣棠。干皮色彩具有观赏性的树种:紫竹、山桃、木瓜、白皮松、白桦。

研究园林树木的最终目的是为了应用,应用就包括树木配置。园林树木配置的基本任务和要求就是把我们所需要的园林树木在基本满足习性需求的基础上,按照适用、美观和经济等方面的综合需要,合理的搭配起来,组成相对稳定的人工生物群体。由于园林是以木本植物为骨干,因此如何合理配置园林树木就成为园 林建设中的核心问题之一。

一、园林树木的配置原则

园林树木的配置,是个既重要又复杂的问题。园林树木配置中分别有其适用原则、美观原则和经济原则—它们是一个统一的整体。

1、园林树木的适用原则(1)园林树木的防护功能

园林树木在改善和保护环境方面起着显著作用。它有一定的防治和减轻环境污染的能力,如:净化空气、吸收有毒气体、减少噪音以及滞尘等功能。选择抗性强的树种并加以合理配置,就可对保护环境发挥积极的作用。(2)园林树木的美化作用

园林树木有其特有的形态、色彩与风韵之美,这些特色且能随季节与年龄的变化而有所丰富与发展。园林树木配置不仅有科学性,还有艺术性,并且富于变化,给人以美的享受。(3)园林树木的生产作用

很多园林树木既有很高的观赏价值,同时又是经济树种。在选择树种时,只要处理得当,就可以在不妨碍园林树木发挥多种功能的前提下,做到一举两得,使园林绿化结合生产。(4)环境要求

当地的自然环境(如气温、水分、土壤等)影响园林树木的生长、发育。根据城市生态环境的特点选择树种,作到适地适树。有时还需创造小环境或者改造小环境来满足园林树木的生长、发育要求(如梅花在北京就需要小气候,要求背风、向阳)。(5)树木之间的需求—种间关系

若是同种树,配置时只考虑株距和行距。不同树种进行配植就需要考虑种间关系。也就是考虑上层树种、下层树种;速生、慢生树种;常绿、落叶树种等。考虑它们对阳光的要求。还要根据根系大小、深浅进行植物配置。配植树木时要注意相克植物不能种在一起。如梨树、苹果树不能和柏树类种植在一起,否则,则会产生梨—柏锈病。

2、树木配置中的美观原则

园林树木有其外形之美、风韵之美以及与建筑配合协调之美等方面。故在配植中宜切实作到在生物学规律的基础上,努力讲究美观。

(1)树木之美应以健康生长为基础

园林树木的美不论是外形、色彩、风韵或与建筑配合协调关系等方面,都要以生长健康作为基础—就是生长正常,而非衰弱或过分生长。有了健康的生长,才可充分表现其本身的特长和美点。园林树木应充分发挥其自然面貌,除少数需人工整枝修剪保持一定形状外,一般应让树木表现其本身的典型美点。(2)配植园林树木时要注意整体与局部的关系

配置园林树木时要在大处着眼的基础上安排细节问题。配置中的通病是:过多的注意到局部,而忽略了主体安排;过分追求少 数树木之间的搭配关系,而没注意整体、大片的群体效果;过多地考虑各株树木之间的外形配合,而忽视了适地适树和种间关系等基本问题。这样的结果往往是繁琐支离、零乱无章。为此,在树木配置时,应注意以下几点:

①先面后点:就是先从整体考虑,大局下手,然后再考虑局部穿插细节,作到“大处添景,小处添趣”。

②先主后宾:在一个景区里,树木配置,要主宾分明,先定主景树种,再选择配景树种。

③远近结合:树木配置时,不但考虑一个景区内树木搭配,还要与相邻空间或远处的树木和背景及其他景物能彼此相呼应,才能取得园林空间艺术构图完整性。

④高低结合:一般说在一个园林空间或一个树丛、树群内,乔木是骨干。配置时要先乔木,后灌木再草花。要先定乔木的树种、数量和分布位置,在由高到低分层处理灌木和草花,这样才能有完美艺术形象的立体轮廓线。

⑤近期与远期效果相结合:即应考虑长期稳定的效果。如:北京某居住小区,设计时只考虑近期效果,刚建时树木的大小、比例都很合适,许多人去参观。不到十年,树木长得很大互相拥挤,效果很差,达不到设计者的要求。另一方面就是株行距很大,也达不到设计者的要求。这就要求在配置设计时考虑快长树与慢长树相结合。快长树能早显示出绿化效果,慢长树能维持长时间的绿化效果。几年后,当快长树枝叶繁茂拥挤,主要树种生长受到 压抑时,即应适当地粉皮疏伐快长树,为慢长树创造良好的生长环境。

(3)进行园林树木配置时,注意季节及气候等变化 首先,应作到四季各有重点,三季有花开。如:在“五一”、“十一”、元旦、春节等节日前后应当有花果可赏,有园景可览。此外,气候变化也是应当考虑的。如:牡丹忌烈日、大风,为使牡丹花期长一些,对其生长创造良好的环境,故宜在大树下或背风向阳处。

(4)园林树木的配植要满足园林设计的立意要求

设计公园、风景区、绿地都要有立意、创造意境,配置时常常加一些诗情画意,从而达到设计者的要求。如:

①幽雅、安静的休息区,种植白花、粉花、淡黄色花等淡颜色的树木。

②万紫千红、欢快的儿童公园,种植红色、黄色花的树种以及颜色鲜艳的草花等,有一种节日的气氛。

③庄严肃穆的效果,种植松柏类、其它常绿树、白花灌木等。④平湖秋月 杭州西湖一景,为了体现秋色、秋香、秋月,增加一些诗情画意。选择树种为桂花(满足秋香)、红枫、鸡爪槭、紫叶李、乌桕、柿子,这样秋天红叶、红果、花香可反映出来。八月十五时,人们就很容易向导“月到中秋桂子香”的诗句。(5)在特殊要求中,要有创造性,不拘泥于树木的习性 雄伟壮丽气氛的天安门,若都种成花木就达不到雄伟庄严的效果,而种一些白皮松、油松、柳树、毛白杨即可达到这种效果。特别是选用一大片油松林来烘托人民英雄纪念碑,表现中华儿女的坚贞意志和革命精神万古长青、永垂不朽的内容。后来对宏伟庄严肃穆的毛主席纪念堂也是很好的陪衬。

从内容到形式上这个配置方案是成功的,从选择油松树种来讲也是正确的。但是如果仅从树种习性来考虑,则侧柏及圆柏均比油松更能适应广场的生境,就不会有现在需换植一部分生长不良的枯松的麻烦,在养护管理上也省事和经济多了。但是天安门广场绿化的政治意义和艺术效果的重要性是第一位的,油松的观赏特性比侧柏和圆柏的观赏特性更能满足这第一位的要求,所以即使其适应性不如后二者,但仍然被选种。

3、树木配置中的经济原则(1)在树木配置中降低成本的途径 ①节约并合理使用名贵树种

滥用名贵树种,不仅增加了造价,造成浪费,而且使珍贵树种随处皆是,显得平淡无奇。在重要风景点或建筑物迎面处,将名贵树种酌量搭配,重点使用。

② 多用乡土树种:乡土树种适应本地风土的能力最强,而且种苗易得,又可突出本地园林的地方色彩,因此,须多加应用。③能用小苗而可获得良好效果时,则不用或少用大苗。④ 切实贯彻适地适树原则,审慎安排植物间的种间关系,做 到避免无计划的返工。至于计划内的调整,如“分批间伐”、“填充树种”等,则是符合经济原则的必要措施。(2)在树木配植中妥善结合生产的途径

栽培粗放、开花繁多、易于采收、用途广、价值高者如桂花、玫瑰等;栽培简易,结果多、出油率高者如:油棕、油桐、核桃、扁桃、花椒、山杏等。归纳起来,包括以下几点:

功能上的综合性;生态上的科学性;配置上的艺术性;经济上的合理性;是风格上的地方性。

二、园林树木配置的方式

树木的配置方式大致可以分为:

自然式:以模仿自然,强调变化为主,具有活泼、愉快、幽雅的自然情调;有孤植、丛植、群植等。

规则式:多以轴线对称或成行排列,以强调整齐、对称为主,给人以强烈、雄伟、肃穆之感;有对植、列植、环植等。

园林中的优型树,单独栽植时,称孤植。

(1)孤植树表现的是树木的个体美,树木的个体美表现在以下几方面:

①体型巨大,树冠伸展,给人以雄伟、浑厚的艺术感染,如:古银杏、香樟、广玉兰、枫杨、楝树、国槐等;

②姿态优美、奇特,如油松、白皮松、华山松、雪松、桧柏、合欢、垂柳、龙爪槐等;

③开花繁茂,果实累累,花色艳丽,给人以绚烂缤纷的艺术感染,如:梅花、樱花、碧桃、紫薇、山楂、柿树、木瓜、海棠等; ④芳香馥郁,给人以香沁肺腑的美感,如白玉兰、广玉兰、桂花、刺槐等;

⑤具有彩色叶者,以使游人产生霜叶照眼的艺术感染,如:乌桕、枫香、红叶李、槭树、银杏等。(2)孤植树按其功能,有两种类型:

①庇荫与艺术构图相结合的孤植树,要求有巨大开展而浓郁的树冠,速生健壮,以乡土树种为好,体姿优美;

②纯艺术构图作用的孤植树,体形与树冠大小要求不严格,枝叶分布疏密均可,如水杉、雪松等窄行树冠者也可应用。孤植树往往是园林植物构图中的主景,在园林中规划位置要突出,一般多布置在以下场所:开朗的大草坪或林中空地的构图重心上;开朗水边或眺望远景的山顶、山坡;桥头、自然园路或溪流转弯处;建筑院落或广场中心。

对植指两株或两丛树木按一定轴线左右对称的栽植方式;多用于园门、建筑入口、广场或桥头的两旁。对植在园林艺术构图中只作配景,起烘托主景的作用,动势向轴线集中。对植的方式:

(1)对称栽植:树种相同、大小一致的乔灌木等距离配植于 中轴线的两侧;

(2)非对称栽植:树种相同,但两株或两丛树的配植可稍自由些,但树姿的动势要向轴线集中,相互呼应。非对称式栽植常用于自然式园林入口、桥头、园中园入口的两侧等。

组成树丛的树木,通常为2-15株,若配入灌木,总数可以达到20 株。树丛欣赏的是植物的群体美,所以还要注意植物的个体美。

树丛在功能上有作蔽荫用的;有作主景用的;有作诱导用的;有作配景用的。

蔽荫用的树丛最好采用单纯树丛形式,一般不用灌木或少用灌木配植,通常以树冠开展的高大乔木为宜。

而作为构图艺术上主景,诱导与配景用的树丛,则多采用乔灌木混交树丛。

(1)两株配合:树木的配置在构图上应该符合多样统一的原理。两树应既有变化,又能组成不可分割的整体;树木的大小、姿态、动势可以不同,但树种要相同,或同为乔木、灌木、常绿树,动势呼应,距离不大于两树冠直径的1/2。(2)三株配合

①三株配合最好选用同一树种,但大小、姿态可以不同,栽植点不在同一直线上,一般要求平面为不等边三角形;一大一小者 近,中者稍远较为自然;

②三株配合,如果选用两个树种,最好同为乔木、灌木、常绿树、落叶树,其中大中者为一种树,中者距离稍远,小者为另一种树,与大者靠近。

①四株树可分为3:1 两组,组成不等边三角形或四边形,单株为一组者选中偏大者为好,如: 24

②四株配合,若选用两个树种,应一种树3 株,另一种树1 株,1 株者为中、小号树,配置于3 株一组中,如图:

五株树可以分为3: 2 或4: 1 二组,任何三株树栽植点都不能在同一直线上。若用两种树,株数少的2株树应分植于两组中,如图:

群植是将20株以上乔、灌木按一定的生态要求和构图方式栽植在一起。树群外缘轮廓的垂直投影,长度一般不大于60m,长宽比一般不大于3:1。

树群所表现的是植物的群体美,对单株树木的个体美要求不严格,但要求从群体外貌上,个体树木要起到应有的作用。(1)树群的位置:应选择有足够面积的开阔场地上,如靠近林缘开朗的大草坪上,小山坡上,小土丘上,小岛及有宽广水面的水滨;其观赏视距至少为树高的4倍,树群宽的1.5倍以上。树群在园林植物配置中,常作为主景或邻界空间的隔离,其内不允许有园路经过。(2)树群的类别

①单纯树群:由一个树种组成,为丰富其景观效果,树下可用耐阴宿根花卉如萱草、金银花等作地被植物。

②混交树群:具有多层结构,水平与垂直郁闭度均高的植物群体。其组成层次至少3层,多至6层,即乔木层、亚乔木层、大灌木层、小灌木层、高宿根草本层、低宿根草本层。

(3)树群配置要求:群体组合要符合单体植物的生理生态要求,第一层的乔木应为阳性树;第二层的亚乔木层应为半阴性或阳性树;乔木之下或北面的灌木应为半阴或全阴性的植物;处于林缘的花灌木,有呈不同宽度的自然凹凸环状配置的,但一般多呈丛状配置,自然错落。

列植:沿直线或曲线以等距的种植方式或以按照一定规律变化 的种植形式。列植形成的景观比较整齐、单纯、气势大。列植是规则式园林绿地应用最多的基本栽植形式。列植具有施工、管理方便的优点。

三、园林树木与建筑、山水、园路的配置

园林建筑的颜色、形体都是固定的,如果没有植物的配植,也会显得枯燥乏味,缺少一种生动活泼而具有季节、气候变化的艺术感染力。

树木与建筑配置时,要根据建筑的结构、形式、体量、性质来选择树种。大型建筑因其庄严、视野宽阔,故应选择枝干高、树冠大的树木;小型建筑,因其精美、小巧玲珑,故应选用一些多姿、芳香、颜色艳丽的树木来配置。

(1)植物装饰建筑:建筑墙面,多数是西边。用爬山虎绿化。一是美观,色彩、形式都美,也可造型如十字架等图案;二是降温效果明显,夏季凉爽。

(2)建筑的角隅:增加生气,打破生硬的死角。

南方常用南天竹、竹子、八角、棕榈等来布置角隅。如:海棠春坞—用海棠花、垂丝海棠、孝顺竹、沿阶草。修竹有节,体现了主人宁可食无肉,不可居无竹的清高寓意。

(3)基础种植:打破生硬的横竖大线条,增加丰富感,种植花灌木。

(4)室内:华南广东与庭院结合在室内留一些阳光。植物种 植在室内,但阳光还是少,故需选择耐荫植物。棕榈科植物除椰子、刺葵外都耐荫。

(5)屋顶花园植物:重庆、广州建造屋顶花园多,挖水池,有雕塑,种草坪。一般植物根系浅,30—40cm,最多100 cm;体量要轻。如:木香、金银木、金银花、竹类、散尾葵等。

2、园林树木与水体的配置

水能给人以宁静、清澈、近人、开怀的感觉。古人称水为园林中的血液和灵魂。古今以来,除寺庙、坛很少用水以外,所有的古园林都有水,可以说无园不水。各种水体,不论它在园林中是否占主要的地位,无一不借助植物创造丰富多彩的水体景观。水边的植物配置增加了静态气氛、美感、幽静、含蓄,色彩柔和,构成了园林水体美的基调。树种选择的原则有:

①满足生态条件:自然水面种植时,树木必须耐水湿,有些可以使根向外生长。

②姿态要美:柳树迎风探水,以桃为侣,池边堤畔,近水有情,临池种植。

③色彩:一排绿,太单调、太安静,柳和花灌木,要含蓄,桃柳色彩不要太多。水边忌讳等距、等高种植一圈。

3、园林树木与山体配置

黄山天下奇---奇松,娥眉天下秀-----植物,青城天下幽---植物。这些景观都离不开植物。在园林中我们借鉴大自然的风景 来建造园林中的山体。园林中的山上造建筑,种植物。用植物可表现出山的季节变化。

春山艳冶,夏山苍翠;秋山明净,冬山惨淡。

上海植物园四季假山是以植物为主表现的。如:春山------山茶、樱花、海棠等;夏山------紫薇、石榴、凌霄、广玉兰等;秋山------南天竹、黄杨球、桂花、枫香等;冬山------常绿树、腊梅、水仙等。

4、园林树木与园路配置

园林中,园路不单纯是交通,也是组织导游路线,把各景区连续起来,使人在路上有步移景异的感觉。

广场:一般是规则式的布局,宽阔。种植高大的乔木、灌木,体现公园的特色。如北京紫竹院公园门口种植竹子以体现紫竹院的“竹”字。

主路:较宽阔,一般也是规则式种植树木。

小路:自然式配置,较灵活。乔木、灌木,同种或不同种。短小路-----树种应少,两种以下;长小路-----树种多,两种以上。交叉路口:重点配置树丛,要求观赏价值高。

弯路:有观赏价值的树丛,否则游人不走弯路,而走捷径。达不到预期的效果。

花径:开花灌木,路不宜太宽。如紫薇路、丁香路、连翘路、夹竹桃路、木绣球路等。

竹径:一般要达到竹径通幽的效果,竹子必须有一定的厚度、高度、和路的深度,才能达到通幽的效果。如杭州云栖、三潭印月、西泠印社、植物园都有竹径,尤其云栖的竹径长达800米,两旁毛竹高达20米余,竹林两旁宽厚望不到边,穿行在这曲折的竹径中,很自然地产生一种“夹径肃萧竹万枝,云深幽壑媚幽姿”的幽深感。

园林植物配置学绪论 篇四

植物(乔木、灌木、花卉、草皮和地被植物等)是园林的主体。植物配置是按照园林景观要求,科学、艺术、人性地将植物配置到园林空间中,发挥它们的生态功能和景观价值,达到绿化、美化、香化和净化环境的目的。植物配置是科学与艺术的统一,是生命的空间艺术。它的理论包括植物学、植物区系地理学、植物群落学、植物生态学、景观生态学、恢复生态学、园林树木学、园林艺术、生物多样性、城市森林理论、环境心理学、3S技术、可持续发展论等,同时还同园艺学、气象学、土壤学、美学、社会学、心理学、医学、历史、人文等学科有着紧密的联系。植物配置是园林设计的重要组成部分。

二、园林植物配置的主要内容

1、植物选择的地域性(自然分布和人为栽培范围等);

2、植物的多样性(物种多样性、基因多样性和生态系统多样性); 3.植物观赏价值的应用(根、干﹑叶﹑花﹑果的形状﹑质感和色彩等); 4.植物生态服务功能的应用(固碳释氧、蒸腾吸热、吸污滞尘、减菌减噪、涵养水源、土壤活化和养分循环、防灾减灾); 5.植物的生命艺术(物候、季相、年生命周期等); 6.自然植物景观模仿(生态学原理); 7.人工植物景观艺术;

8、植物空间景观的构成艺术(林缘线、林冠线);

9、植物景观艺术美的形成(对比和衬托、动势和均衡、起伏和韵律、层次和背景等);

10、植物景观意境美的形成(万壑松风﹑梨花伴月﹑桐剪秋风﹑梧竹幽居);

11、植物与山体的配置艺术(万松岭﹑樱桃沟﹑海棠坞﹑梅影坡); 12.植物与水体的配置艺术(湖泊﹑河川﹑池泉﹑溪涧﹑港汊); 13.植物与建筑的配置艺术(闻木樨香轩);

14、植物与道路的配置艺术(景观路、高速路、街路和园路)等。

三、课程的设置(教学大纲)

第1章 城市植物造景研究综述。1.1城市及城市问题

1.1.1城市化过程中的生态环境问题 1.1.2城市化过程中的城市景观与植物造景 1.2城市植物造景概述 1.2.1植物造景概念

1.2.2园林植物的主要观赏特性 1.2.3园林植物的主要作用

1.2.4我国传统园林植物造景历史概述 1.3城市植物造景研究进展 1.3.1国外植物造景研究的动态 1.3.2国内园林植物造景研究的现状 1.3.3园林植物造景相关研究进展 1.3.4城市绿地系统植被景观研究进展

1.4我国城市园林植物造景研究领域存在的问题与展望 1.4.1存在的问题 1.4.2展望与创新 1.5小结

第2章 城市植物造景的理论和方法研究 2.1植物造景理论的发展阶段 2.1.1第一阶段 2.1.2第二阶段 2.1.3第三阶段 2.1.4第四阶段 2.2植物造景理论框架 2.2.1植物学 2.2.2植物区系地理学 2.2.3植物群落学 2.2.4植物生态学 2.2.5景观生态学 2.2.6恢复生态学 2.2.7园林树木学 2.2.8园林艺术 2.2.9生物多样性 2.2.10城市森林理论 2.2.11环境心理学 2.2.12 3S技术 2.2.13可持续发展论 2.3城市植物造景的方法 2.3.1国外传统园林中的植物造景方法 2.3.2国内传统园林中的植物遣景方法 2.3.3现代园林植物造景 2.4城市植物造景的规划层次结构 2.4.1城市总体规划 2.4.2城市绿地系统规划 2.4.3园林植物规划 2.4.4植物造景

2.5城市植物造景基本问题 2.5.1科学性与艺术性 2.5.2功能性与实用性 2.5.3生态性与景观性 2.5.4质量性与效益性 2.5.5数量性与立体性 2.5.6多样性与文化性 2.6城市植物造景原则特征分析 2.6.1科学性 2.6.2实用性 2.6.3艺术性 2.6.4文化性 2.7小结

第3章 株洲市城市绿地景观要素特征分析 3.1选题背景

3.1.1城市化发展进程的客观需要

3.1.2城市品质由低层次向高层次发展的必然趋势 3.1.3提升城市品质与城市竞争力的必要性 3.2研究区概况 3.2.1自然状况

3.2.2城市经济及社会发展

3.2.3城市特征、结构和功能类型概述 3.3主要研究内容 3.4研究方法与技术路线 3.4.1研究方法 3.4.2技术路线

3.5基于高分辨率卫星影像的株洲市城市绿地景观结构特征分析 3.5.1材料与方法 3.5.2结果与分析 3.5.3结论和讨论

3.6株洲市城市植被调查和植物区系数值分析 3.6.1调查研究方法 3.6.2植物多样性及其区系特征分析 3.6.3天然植物群落调查结果与分析 3.6.4植物群落次生演替 3.6.5古树名木调查 3.6.6结论与讨论

3.7株洲市野生草坪草与地被植物调查结果与分析 3.7.1种类(含品种)3.7.2坪用性状和功能分析 3.7.3结论与讨论

3.8株洲市城市园林栽培植物调查与分析 3.8.1园林栽培植物种类 3.8.2园林栽培植物人工群落分析 3.8.3城市绿地植物群落存在的问题 3.9小结

第4章 株洲市城市绿地景观生态综合评价 4.1模糊综合法评价方法 4.1.1基本原理 4.1.2评价指标及方法 4.1.3结果分析 4.1.4结论与讨论 4.2景观生态综合评价分析 4.2.1评价方法与评价指标的确定 4.2.2城市绿地景观生态综合评价 4.2.3结论与讨论

第5章 株洲市城市植物造景总体格局研究 5.1定性定位 5.1.1总目标

5.1.2植物景观空间网络构筑和目标指数 5.2株洲市城市园林植物景观特色 5.2.1城市内外植物景观渗透融合特色 5.2.2构架山水城市植物景观特色 5.2.3城市文化沉淀于植物景观特色 5.3株洲市建成区园林植物景观分区论述 5.3.1河东区 5.3.2河西区

5.3.3中心区植物景观区 5.3.4造景方法

5.4株洲市城乡交错带植物造景 5.4.1造景原则 5.4.2造景方法 5.4.3株洲市城市交错带总体框架 5.4.4株洲市城市交错带园林植物选择 5.5株洲市城市大环境森林景观构建研究

5.5.1模拟地带性群落的结构特征,构建复合人工植物群落景观 5.5.2改造与构建方法 5.6小结

第6章株 洲市城市植物造景网络与廊道研究 6.1株洲市行道树种的基本情况 6.2株洲市道路植物景观整体评价 6.2.1材料与方法 6.2.2结果与分析 6.2.3结论与讨论

6.3株洲市城市道路观赏园林植物AHP法选择 6.3.1原理与方法 6.3.2结论与讨论

6.4株洲市行道树抗性树种的选择 6.4.1株洲市各区行道树种的基本生长情况 6.4.2抗污染行道树树种选择 6.4.3几种主要抗污染行道树树种 6.4.4株洲市行道树的初步配置方案 6.4.5天台山路、长江中路植物造景 6.5湘江生态经济带造景 6.5.1原则与区划 6.5.2植物分区功能特色 6.6小结

第7章 株洲市城市植物造景典型斑块研究 7.1炎帝广场植物造景 7.1.1植物造景原则 7.1.2植物选择与配置 7.2石峰公园植物造景 7.2.1植被现状 7.2.2植物遣景原则 7.2.3植物景观分区 7.2.4植物选择与配置 7.3标志性森林造景 7.4小结

第8章 株洲市城市植物造景整体植物选择研究 8.1基调树种 8.2骨干树种 8.3一般园林树种规划 8.4城市绿地系统主要绿地类型植物选择 8.5关于市树、市花的建议 8.5.1樟树 8.5.2红檀木 8.6小结

第9章 株洲市特色园林植物多样性与植物群落造景应用分析 9.1彩色叶植物造景应用分析 9.1.1彩叶植物观赏特点 9.1.2彩叶植物的类型

9.1.3株洲市秋色叶植物材料分析 9.1.4彩叶植物的成因 9.1.5彩叶植物园林造景应用 9.2观果植物造景分析 9.2.1观果植物应用分析

9.2.2观果植物在株洲市城市植物遣景中的应用 9.3水生植物造景 9.3.1水生植物的意义 9.3.2水生植物应用分析 9.4植物化感效应的应用 9.4.1园林植物化感作用及其机理 9.4.2化感作用在园林建设中的作用 9.5植物精气材料应用分析 9.5.1精气发生的机理及组成 9.5.2植物精气的应用 9.6株洲市草坪植物造景分析 9.6.1材料与方法 9.6.2结果与分析

9.7株洲市城市绿地植物群落构建研究 9.7.1绿地群落物种多样性特征分析 9.7.2典型绿地群落结构分析 9.7.3城市绿地特色植物群落示范研究 9.7.4研究和推广生态养护技术

9.7.5恢复和重建城市近自然群落,创建野生动植物栖息地 9.8小结

附录1 株洲市城市园林观赏植物栽培名录 附录2 株洲市区野生草坪草种及观赏地被植物名录 参考文献 15.

编译:范秋萍 云南大学 国际河流与生态安全研究院

传统上,研究种内变异仅限于可培养细菌的纯培养菌株和低分辨率微生物群落指纹图谱分析。宏基因组测序和其它技术的进步使在高通量和复杂环境中研究未培养微生物、高分辨率菌株和亚种成为可能。宏基因组分析具有巨大的科学前景,但也产生了大量描述亚种变异的方法和术语。本综述通过关注微生物学背景下的细菌和古细菌种内多样性来阐明这些进展。我们涵盖了与种群遗传学相关的基础微观进化概念,并概述了如何在微生物群落内直接研究和对种内变异进行分级,并重点关注宏基因组。最后,我们描述了如何使用宏基因组数据来实现物种内部变异的常见应用。我们旨在指导选择合适的术语和分析方法使研究人员从越来越高分辨率的微生物基因测序数据的获取中受益。

一个多世纪以来,细菌培养已使数千种细菌菌株得以分离和分类。物种在细菌语境中被翻译为一群形成一致基因组簇的个体(有关详细信息和分歧,请参见下文)。尽管具有这种遗传相似性,但可以确定同一物种的菌株(同种菌株)之间可能存在很大的表型变异。在致病性的背景下,对种内变异的重要性进行了深入的研究,发现许多物种同时具有致病性和共生性菌株(例如大肠杆菌和Bacteroides fragilis。确实,有研究发现大肠杆菌菌株可以是致病的、共生的、与宿主或与环境相关的。菌株特性与宿主健康之间的关系表明在物种水平上对微生物群落的研究可能是不充分的,并且在药物反应、养分循环、固氮和寄主关联等许多其它领域也有相同的应用。

在研究种内变异方面时基于培养的方法具有根本性和持续性的作用,尽管最近它们在方法上取得了进展,但仍具有较大的局限性。很少有微生物可以很容易地在分离的、实验室条件下获得培养,现有纯培养微生物是在典型的低通量条件下培养出来。即使可以进行培养,对微生物进行研究也是在分离后进行,而不是在其自然群落中进行。对整个微生物群落的非培养型菌株水平的分析已经进行了15年以上,但是受到测序深度浅和样本量较少的限制。随着宏基因组的技术和算法的创新(框1)以及测序成本的下降,有望对物种内变异进行大规模的宏基因组分析(框2)。这些方法有很大的前景,但同时也带来了科学和语义上的挑战。

在传统的培养方法中,“菌株”是指纯培养株或分离株,表示的是分类实体而不是自然概念,该操作定义不能直接转移到现代非培养的方法中。在高分辨率微生物组研究中出现了大量重叠的术语,这些术语通常定义不清。由此产生的混乱阻碍了微生物组领域和其它领域研究人员的交流和合作。为了在现有种内变异的定义下正确的纳入新的操作定义,必须了解创造和限制种内变异的微观进化过程。

在这项综述中,我们总结了产生和限制种内变异过程的同时描述了这些力量的平衡是如何塑造变异的大小和结构的。我们使用宏基因组数据概述了可用于研究这种变异并将其分级的主要方法,并在应用的背景下定义了常用术语。我们使用“种内变体”来指代物种水平以下的任何分组。在这篇综述中,我们重点介绍了使用宏基因组数据研究种内多样性的进步和挑战。

框1. 描述物种内变异的分子方法

在微生物群落中有很多种方法可用于研究种内变异。基于微生物组的方法较少,但不限于可培养的微生物群。诸如DGGE、TRFLP和ARISA之类的基础群落指纹识别方法使某些物种无需培养即可进行高分辨率研究。由于它们的通量和分辨率低,这些方法在很大程度上已被基因测序方法所取代。尽管16S rRNA基因扩增子分析起源于低分辨率方法,但现在有时可以在整个基因序列中使用Oligotyping、扩增子序列变异体(ASV)和单核苷酸变体区分某些物种。然而,在种内分析的分辨率上,16S rRNA的方法仍然受到极大限制,可能被每个基因组中16S rRNA基因的多个非相同拷贝所混淆

鸟枪法宏基因测序为标记基因或者全基因组提供了更多的信息。已经开发出许多工具分析宏基因组数据以描述物种内变异。主要方法包括在预定义的标记基因内还是在整个物种参考基因组,单核苷酸变体与参考菌株基因组的总体相似性以及序列分类和基于基因含量的结构分析。基因组组装的基因组可以通过装箱和组装共同丰富的基因来恢复。然而,这些都有重要的局限性(框3)。

基于微流控的技术可在测序和单细胞测序之前富集特定生物体,从而产生单个扩增的基因组。由于方法学的进步,我们能培养越来越多的细菌,该技术结合了多种培养条件和细菌的快速鉴定。

基于冷冻电子显微镜的成像和转录组以及基于蛋白质组和代谢组学的分析方法都是非基因组方法,可以捕获物种内的表型差异,可以单独使用,也可以结合基因组方法使用。

框3.  在宏基因组中研究物种内变异的挑战

对微生物群落种内变异的调查面临研究设计、技术和方法上的挑战。研究设计的主要挑战是“无法观察到的变化”:您看不到未采样的内容。如果一个物种内变异性低,这很难证明这不是由于采样欠缺或采样偏差引起的。这种偏差可以是暂时的(例如,由于菌株转换或灭绝)或空间的(例如,由于邻近采样区域隐藏着很多不同的同物种结构,例如土壤或皮肤)。较浅的测序深度也不利于观察物种内部低丰度的变体。越来越多的深度测序宏基因组样本减轻了这些偏差,但这些样品在整个研究中的整合仍然面临宏基因组众所周知的一些技术挑战。

宏基因组组装基因组(MAG)对于研究未知和代表性不足的物种是很有用的,但也具有重要的局限性。MAG是种群共有基因组。因此,基因座位可能是未连接的多等位基因。与分离的基因组相比,MAG的装配质量通常较低、不完全并且更可能是嵌合的。由于难以检测低于物种水平的嵌合体,因此不应将MAG等同于分离株的基因组测序。与完整分离株基因组相似的MAG才能使用“完整MAG”一词,该基因组通常是没有间隙的单个圆形拼接体。

为避免将分离株基因组和MAG混淆,应避免将MAG上传到公共基因组数据库的做法,并且不应将“基因组解析的宏基因组”这一短语用于不直接评估MAG内异质性的MAG研究。单细胞测序方法为从宏基因组中回收基因组提供了一种替代MAG的方法,但单分子DNA的使用受到高成本、低通量、潜在污染和质量问题的限制

持续的技术进步,测序成本的降低以及互补方法的日益集成对于应对数据生成和集成中的这些挑战将是必要的。

种内多样性是由变异和随后的选择和漂变造成的(图1)。突变和基因流使遗传变异进入其它相同的克隆子细胞谱系中。

DNA复制过程中的错误、DNA修复和重组机制的错误使基因组中不断出现突变(即替换、插入、缺失和反转)。尽管在双螺旋DNA中109个核苷酸复制一次才约有一个核苷酸改变,但物种间和物种内部的突变率可以相差一个数量级。选择较低或更高的比率可以平衡突变频率降低的代谢成本以及有害突变的影响。这种平衡的方向取决于栖息地条件、种群大小和等位基因突变强度。一个细菌谱系内突变的累积速率取决于突变率以及影响突变的自然选择和遗传漂变。此外,并非所有的细菌基因组都容易发生突变,除非核心基因位于辅助基因或可移动遗传基因附近,辅助基因的突变累积率才高于核心基因,次级染色体中的突变累积率高于初级染色体。一般来说,缺失比插入更为频繁,非功能性序列很容易从细菌基因组中丢失。一个基因组中发生的突变可以垂直传递给后代,也可以水平传递给邻近的细胞

图1. 细菌种内变异的主要驱动因子

从一个物种转移到另一物种(基因流)的遗传变异会使基因组重排。DNA可以通过转化、转导、接合、转染和膜囊泡等水平基因转移(HGT)途径在细胞之间转移DNA。新获得的供体DNA可以作为质粒或裂解噬菌体在受体细胞内保持分离,或者可以通过同源重组等多种机制掺入受体基因组中。HGT在种内更常见但也在种间也存在。HGT可以通过物种内同源重组用供体同源物替代遗传片段,获得新的遗传物质。就HGT对物种内变异的影响而言,最重要的不是同源重组而是所传递的遗传物质对受体物种而言是否是新的(如下所述)。结合过程缺乏表面相容性、CRISPR介导的微生物免疫力和噬菌体宿主特异性受限是限制HGT的主要过程

自然选择和遗传漂变决定了通过突变和基因流引入的物种内部变异。遗传漂变随机消除了种群内的遗传变异,而自然选择则维持或消除了带来适应性优势或劣势的变异。自然选择是由多种生物和非生物因素驱动的,这些因素不同程度地影响了亚群生存和复制的能力(图1)。这些因素可以通过群落聚集和经典进化力来影响物种间和物种内微生物群落的组成。选择压力因子随生境而异,可能包括pH、温度、氧气和其它气体的浓度、养分的可利用性、与其它细菌的直接竞争或合作、噬菌体和真核生物的捕食以及压力诱导产生的药物、抗菌化合物和重金属等异源生物的存在

物种定义和物种内聚力机制

通过突变的垂直积累和基因的水平获取,一个细胞后代之间的变异可能会不断增加,从而在整个细菌基因组中形成连续的遗传变异景观。但是,当比较细菌之间的基因组相似性时,会观察到不同的簇。尽管人们质疑“物种”概念的适用性,但这些簇被认为是细菌中的物种。在本综述中,我们使用“物种”一词来反映这些遗传相似性簇。

数十年来,已经使用DNA-DNA杂交(DDH)来测量基于基因组相似性的细菌种类。根据细菌命名法,通过DDH,同种基因组具有≥70%的相似性。DDH逐渐由分离株的DNA测序和平均核苷酸一致性(ANI,average nucleotide identity)比较来补充或取代,DDH相似性≥70%对应于核心基因组中ANI≥94%和通用标记基因中ANI≥96%。这些对应关系中的近似值可能会影响分类,如通过DDH对核梭菌(Fusobacter nucleatum)进行分类后建议通过ANI将其重新分类为单独的物种。早期研表究表明使用宏基因组数据可以识别出独特的细菌物种边界。最近,通过研究基于整个基因组(~95%)和标记基因(96.5%)在ANI阈值处确定该边界并描述了核心基因组中的基因流急剧下降。

尽管ANI基因组数据具有总体一致性,但对细菌和古细菌物种的定义仍存在争议,关于“物种”的定义有20多个,并对此概念存在质疑。物种的生物学和系统发育概念最适用于细菌和古细菌。前者将物种定义为一组可以通过杂交产生有活力后代的个体,这意味着原核生物可能会发生同源重组,而后者则将物种定义为具有独特表型特征的进化枝。这两个概念都预测不同物种之间的同源重组速率和HGT速率会下降。仅基于基因组的ANI比较并不一定能很好地满足对众多潜在物种的定义,相反可以使用其它方法来定义除了ANI之外的物种或替代ANI的物种,例如通过表型、通用单拷贝基因(例如16S rRNA基因)中的相似性和基因含量来定义物种

物种内的基因组相似性称为“内聚力(cohesion)”。这主要通过种内重组和选择低适应性等位基因来维持。如果等位基因比某个群体中的其它所有基因更有利,那么它可以在该群体中完全传播产生硬性选择性扫描。当重组率较低时,整个基因组可能会借助适应性等位基因使其流行,从而产生全基因组选择性扫描。当发生硬性全基因组选择性扫描时可以减少物种内多样性,保持物种间相似性。

决定物种内部变异大小和结构的因素

物种内多样性产生、维持和清除的程度不同,因此某些物种具有高度异质性,而另一些物种则具有紧密的内聚力。种内变异的这些特征取决于所观察到的种群(框3),并可以整体或局部描述。增加多样性与保持内聚力之间力量的平衡决定了物种内变异的程度和结构。

物种的变异量取决于突变率、产生时间、种间HGT的倾向和种群大小,而持续存在的变异量取决于生境中选择压力的严格性、种群大小以及选择性扫描的频率和程度。差异和内聚力之间的平衡是由选择和漂变调节的,而选择和漂变是由生物和非生物因素决定的(图1)。如果所转移物质对受体种群而言是新的,那么HGT可以增加种群内的遗传变异,例如,如果供体细胞是从外来种群中散布的或远缘相关的,那么种内遗传变异增加;相反,如果HGT将遗传物质散布到整个种群中,则可以根据特定基因含量或单核苷酸变异(SNV)使种群均质化,从而产生基因特异性的硬性选择性扫描。

在一个物种内,结构化群落可以通过软性选择扫描的组合(当多个替代适应性等位基因在种群中扩散并共存时)使其沿着漂变和扩散到相似的或新的生态位。例如,当突变率高而种内重组的速率低时,菌株可能会分化成更具内聚力的亚组。具体而言,重组与突变之比在0.25以下时可以使亚种群自由扩散,这可能使能够在物种形成过程中破坏部分基因流的亚种形成。

亚种可能是由物理或地理障碍引起或加速的,这些障碍阻碍了亚种之间的基因流动(异源),自然选择或漂变使亚种产生差异。但是,在没有空间隔离的情况下也可以产生亚种。在这种情况下,专业化可能具有选择优势,可以减少对资源的竞争。由于细菌和古细菌的扩散能力极高,对基因流来说,完整的物理阻隔可能很少,两种情况都有可能发生。当出现偶然的基因流动以及生态位重叠时,对选择进行纯化可以维持亚种之间的部分内聚力,这可以避免建立稳定亚种时产生差异。

在一种极端情况下,物种可能是单型的,也就是说,它们在整个种群中的遗传相似性分布均匀或“模糊”。多样性较低的单型物种更可能是专一的,地理分布或寄主范围狭窄,或者是最相近形成物种的产物。在另一种极端条件下,具有亚种(多型)和高度多样性的物种更可能是自由存在的通才,能适应不断变化的环境,具有广泛的地理范围或许多部分重叠的生态位。

上述许多知识都是通过培养和分离实验逐个物种获得的。微生物学方法的兴起使得我们能够大规模地表征物种之间的变异,并新的提供可行的研究途径(框2)。将这些发现有意义地应用于上下文中对于适应这一知识体系中的概念和术语并用于宏基因组研究非常重要。

框2分离株培养与宏基因组分析物种内变异的比较

传统上,对物种水平以下进行研究依赖于培养的分离株。随着宏基因组的兴起,高分辨率遗传数据增加了。通常,这些数据是基于特定遗传片段(例如标记基因)内的变异或通过组装回收的基因组(由基因组组装的基因组;MAG)中的变异进行分析的(框1)。尽管生成的数据量巨大使空前的发现成为可能,但这些新方法也具有重要的局限性并带来新的复杂性(请参见下表)。尽管宏基因组比研究分离株更有优势,但这两种方法仍是互补的。为了确保两种方法之间的协同作用,分离基因组和MAG数据质量必须易于获得且具有可比性,并且应维持通用词汇表。

基于分离培养和宏基因组测序的种内变异研究

通常需要将物种内变异分为有意义的组进行研究,并与诸如健康状况、地理位置或代谢能力等分类变量相关联。上面描述的理论可以支持此类群的概念定义,但通常不能直接在微生物研究中使用。相反,必须基于可衡量的标准来设计变体群组的操作定义。通常,这是在遗传或表型尺度上完成的。在操作上定义变体群组(例如菌株)的适当度量取决于所问的生物学问题和所使用的方法(图2a)。

图2. 种内变异的分级。a:基于研究领域“菌株”的各种可操作分类定义;b:每一个点都是一个分离株基因组与所有其它同种分离株基因组的成对比较。

使用宏基因组数据进行遗传分级

物种内的遗传变异可以通过多种方式来衡量,其中一些共同的指标是总体基因组相似性以及共有基因和独特基因的数量和/或SNV的数量和性质。在本节中,我们讨论如何采取这些措施,并探讨其优势和局限性。当将这些分析方法应用于宏基因组测序产生的大量数据时可以以高通量方式同时对多个物种进行物种内结构分析,但这也引起了诸如数据不完整和数据存在部分错误的各种数据质量问题,也存在大的计算需求和存储需求等技术挑战

同源基因组在亚种水平上的总体相似性可以通过序列数和参考基因组中直接获得的宏基因组数据进行评估或者通过比较宏基因组聚集的基因组(MAG)来评估。合适参考基因组的可用性低会限制基于参考基因组的方法的使用,尤其是在非人类微生物组中。现在可以使用大量的MAG,并且计算ANI方法的效率也得到了提高。但是,对于大型基因组序列ANI的计算仍然具有挑战性。此外,由于数据质量的局限性和不完整性,在ANI比较中使用MAG可能会引入不准确性(框3)。

ANI和重组速率下降表明正在对一个物种进行细分。但是,与物种边界相反,物种内变种没有显示出基于基因组或标记基因的通用阈值,基因组或者标记基因能够将种分为几组。相反,物种内ANI值的分布和范围因类群和种群而有所不同,这限制了其在分级中的效用。此外,由少量核苷酸编码的遗传差异对表型的影响很大但对ANI的影响很小。因此,在物种内ANI差异较小的情况下,基因含量、SNV和indel的测量值在定义生物学上相关的物种内变体方面提供的信息比ANI多

基因含量是基因组中所有基因的总和,包括几乎存在于所有亚种变体中的核心基因和仅存在于一个亚种中的辅助基因。变体之间辅助基因含量的差异可能在单基因水平或遗传片段水平出现,其中可能包括多个基因(结构变异),可以根据是否存在基因或该基因的拷贝数来计算基因含量差异。认为在结构变异内存在基因顺序,但尚未直接通过宏基因组方法解决。通过寻找基因簇或通过将基因含量与SNV结构定义的变体相关联,宏基因组数据可用于研究物种内基因含量的变异。HGT使基因含量相似性和系统发育之间的关系复杂化。但是,对同种基因组的比较研究表明基于基因含量的配对相似性与基于核心基因组ANI的成对相似性相关(图2b),并且不同的SNV结构可以对应于不同的基因结构。

SNV差异可用于比较高分辨率的同种变体。这些比较可以考虑变体位置的数量,在核心基因、辅助基因或基因间区域中的位置,它们在基因组中的传播(聚集或扩散)及其潜在的表型影响(同义或非同义突变)。在宏基因组中,SNV的鉴定可以基于MAG或从现有的参考基因或基因组。参考的群落成员与实际群落成员之间的相似程度可能会对结果的准确性产生重大影响。基于MAG识别的SNV可以揭示种群动态,但是由于MAG参考的基因潜在质量低,也可能产生错误(框3)。可以基于不同的SNV(例如SNP类型)从宏基因组数据中定义同种基因组群组。用于显示单个SNV差异的分离株数据可以确定致病性或抗菌药物耐药性。当测序深度较浅且种群规模较大时,不利于丰度较低的SNV的检测。当SNV垂直转移时可用于定义单倍型和谱系。可以进一步扩展这种方法,将SNV用于重建物种内的系统发育,但必须注意使用不太可能位于HGT区域的基因座。

当多个遗传变异出现在一条染色体上时,它们是“连着”的。连着的变异可以一起遗传,但可以被重组或突变破坏。确定等位基因之间的联系可以用来追踪谱系、重建单倍体类型(阶段性变体)以及检测HGT。然而,当使用典型的短片段、鸟枪式测序方法时,在提供联系数据方面,宏基因组数据存在固有的局限性,因为这种方法会分解DNA。短序列的组合可能能够记录联系的基因信息,但当一个样本中存在多个高度相似的基因组时会产生很多嵌合体,例如多个同源菌株(菌株异质性)。鸟枪宏基因组通常不提供联系等位基因的精确图谱,而仅限于提供一组具有等位基因频率信息的多等位基因座;如本综述最后一节所述,这些方法仍然可以用于许多应用,还可以用其对一个物种进行种群遗传分析,例如计算种群多样性、种群结构和选择压力。

已经开发了许多软件工具以使用宏基因组数据对物种内的多样性进行测量和分类。通常,它们有分类和发现这两大目标。面向分类的工具有metaMLST、PathoScope、MetaPhlAn2、StrainSifter、Sigma、SPARSE和StrainEst,目的是检测样品中是否存在已知的、特征化的物种内群组。面向发现的工具通常使用以下三种方法中的一种将物种内部变异按相似性簇进行分组:基因含量(例如PanPhlAn),整个或核心基因组中的SNV(例如metaSNV)或标记基因中的SNV(例如,谱系算法、ConStrains、StrainPhlAn、DESMAN、StrainFinder和mOTUs2),然后检测独特的基因内容(例如DESMAN)。尽管许多工具声称可以提供菌株水平的分辨率,但术语“菌株”在软件中的定义有所不同(有关定义的讨论,请参阅下一部分)。可以从整个样本的SNV多度中恢复SNV联系信息的工具包括ConStrains、DESMAN、StrainFinder和Lineages算法。当假设样本包含物种内单一优势种群时,也可以用StrainPhlAn和metaSNV之类的工具将SNV聚类为物种内群组(分别为菌株和亚种)

尽管这些工具支持用宏基因组数据来研究物种内变异(请参见下文),但它们具有一些较大的局限性。例如,依赖于绘制参考基因组或标记基因序列图的工具固有地受到适宜参考基因组可用性的限制,在某些环境下(例如淡水和土壤),参考基因组的利用率非常低。可以通过构建和使用MAG来规避此限制(例如,在DESMAN中),但是必须考虑MAG质量,特别是在没有时间序列数据的情况下(框3)。其它限制包括极高的覆盖深度和无法处理大量数据。这说明随着宏基因组领域向更大、复杂的数据集发展的过程基础软件的局限性是如何产生的。这些局限性和其它局限性结果导致某些工具难以运行或无法运行,或者无法与当前大小合理的数据集一起使用,从而无法再现或扩展结果。

本综述参考的软件可以执行所描述方法论方法中的工具示例。这些参考不是对准确性或可用性的认可或报告。最近的综述中对许多工具的功能进行了比较,尽管预期在宏基因组解释框架的关键评估(CAMI)中会解决这些问题,但尚未完成对准确性的彻底比较。预计未来的工作将对种内分析软件进行比较;但是,每种工具特定术语(例如,SNV类型,菌株种群等)的确切含义以及它们对通用术语(例如,菌株和亚种)的映射都必须谨慎处理。

有许多术语可以对物种内的变异进行分级(表1)。从国际原核生物命名法中最常用和公认的术语中我们重点对基因组、菌株和亚种这三个涵盖物种内遗传变异范围的术语进行介绍(图2c)。在本节中,我们讨论在基于培养的微生物学和宏基因组中使用这些术语时的冲突,并提出解决方案

几十年来,微生物基因组最常见的是来源于分离株的测序。近来,MAG的快速产生,以及超越了分离株基因组的应用。分离株和宏基因组之间协同作用的障碍是将MAG等同于分离株基因组(框3)。前者可能代表包含有多样性非常多的种群,而后者通常代表了多样性几乎没有的培养分离株。考虑到单细胞测序的兴起,将“基因组”一词视为细胞、分离株或宏基因组是有用的。

“菌株”一词广泛应用于微生物学的各个领域,且有许多不同的定义(图2a)。在细菌学中其定义是:一个在纯培养条件下产生的单一分离株后代组成的,通常是由在一个或多个细胞中发现最初的单个菌落,最终衍生出来的一系列培养物组成。在这种情况下,菌株是起源于分离的。在流行病学中对菌株有另外的定义,认为菌株是作为子实体存在于自然界中的。这种“自然菌株”被定义为一组具有独特基因型和/或表型特征的同种分离株。可以将“分类菌株”视为自然菌株的分离培养物。在操作上,自然菌株和分类菌株的边界各不相同。例如,分类菌株可以表型异质,即使具有至少三个突变,也被称为同一菌株。相比之下,在某些情况下,分离株需要少于三个SNV差异才能被认为来自同一自然株。这表明在以培养为核心的微生物学中尚未普遍设定菌株描述的遗传阈值。

表1. 描述种内变异的常用术语

在以培养为核心的微生物学中,菌株的这两个定义继续共存,在微生物学中采用这一术语扩大了这种复杂性。很少使用前缀带有歧义的“分类”和“自然”。但是,这种二元性可以阐明“菌株”一词在宏基因组中的混合用法。菌株水平的宏基因组经常提出分类和发现这两种类型的问题。分类问题会问遗传片段(测序片段数)是否属于特定的分类菌株,例如检测粪便样本中是否存在益生菌菌株双歧杆菌BB12。发现问题会问物种内是否存在形成自然菌株的亚组,例如通过聚类基因组或遗传片段的遗传变异。用于菌株发现的宏基因组工具之间可能会产生冲突,这些工具使用不同的自然菌株定义,因此会给出不同的结果,例如,基于差异基因含量和共享基因中的SNV来定义自然菌株。

尚未对菌株建立一个能够普遍适用,具有牢固生物学基础的操作定义,这也可能是不存在的。从理论上讲,可以将只有一个SNV差异的基因组称为不同菌株。但是,由于宏基因组数据能产生大量的菌株,因此不建议使用此方法。对于多少个SNV定义一个分离菌株以及是否需要在种群中固定这些SNV或者需要影响其表型没有规定。在实践中,在菌株水平工具选择中如何选择设置此临界值(例如,在StrainPhlAn中设置物种特异性标记基因的核苷酸超过0.1%)或者由分析作者设定的临界值是不确定的(例如,ANI大于98%)。鉴于菌株的操作定义具有这种可变性,因此使用更具体的术语代替“菌株”的通用术语变得特别有价值(有关指导,请参见表1和标题为“种内变异的应用”部分)。

亚种是群组的同种菌株,该术语存在许多定义。在经典微生物学中,亚种是遗传或表型不同的菌株簇,具有可用的类型菌株并被命名(例如,枯草芽孢杆菌亚种)。随着时间的流逝,亚种分类的基础已经从定性表型方法转变为分离株之间的基因组相似性。这种变化导致了分类转换,例如物种降级为亚种(例如,在长双歧杆菌中),反之亦然(例如,在必要的多核细菌中)。因此,已命名的经典亚种不一定与不同的基因组簇对齐。相比之下,在种群生物学的背景下,亚种是一组生活在一个物种空间范围内的局部物种,并且与相同物种的其它种群在基因型或表型上不同。将“亚种”一词用于微生物组意味着这与菌株描述的二分法用法相同,即将序列分类为现有的“经典亚种”和“种群亚种”,种群亚种是通过空间尺度上的种内遗传变异进行聚类的。

尽管这些术语的严格定义并不限制它们各自可以包含的相对变化量,但实际上,将它们放在彼此的背景中并在建议的范围内使用它们是有用的(图2c)。由于这些范围是准则,因此在使用每个术语时应在报告中包括群组划定的实际阈值。重要的是,“菌株”从属于“亚种”,因此不应被普遍用来指任何从属于物种的分组(有时是这样)。由于定义不同,但在视觉上与“亚种”相似,因此我们也不鼓励用“亚种”一词来代替“物种以下”。相反,我们建议使用“出现在同种中的”或“种内”一词。例如,“菌株水平分析”或“亚种分析”的不当用法将由“同种物种分析”或“种内分析”代替。此外,物种内的非特定群组也可以称为“物种内变体”。

一个物种内的遗传变异可以以复杂的方式表现为表型差异。不同的遗传变体可以表现为相同的表型,而相同的遗传变体可以在不同条件下表现为不同的表型。遗传差异的大小及其表型影响不一定相互关联,例如在抗生素耐药性急剧增加的情况下,只需少一个SNV即可。此外,当细菌在分离培养或共培养或在其自然群落中培养时,可以观察到不同的表型。例如,铜绿假单胞菌在体外和人类感染期间有不同的基因表达结构,包括与抗生素抗性、细胞间通讯和代谢相关的基因,对治疗的发展具有影响。在物种内部也可以看到表型的差异,例如两株嗜盐细菌盐沼细菌的菌株在分离培养时具有相似的表达模式,而在共培养时则具有不同的表达模式。这些例子强调了直接在微生物群落中研究物种表型变异的重要性,这可以通过几种方法来完成(框1);例如,超转录组学已被用于揭示贻贝中同种共生体之间的功能多样性,并且通过宏基因组学推断的复制率已经区分了婴儿中Citrobacter

基因型和表型之间的复杂关系意味着表型分类方案可能与遗传分级不一致。在医学和流行病学中,基于不同的致病性(病理型)或细胞表面抗原(血清型)将细菌分类为群组(可能是多系统的)是有用的。例如,肠道大肠杆菌群包括共生菌株和致病菌株,它们被分为至少七个致病型。在生态学中,还可以基于行为及其在群落中的功能角色来定义群组,例如,根据所使用的资源类型和开发方式来定义群组。以这种方式分组的物种称为“公会”,这一概念和术语可以类似地用于描述菌株群组。此类分组旨在为生态系统内的竞争分析提供适当的解决方案并在整个群落中推广。尽管表型与许多生物学问题最相关,但很难进行大规模测量。通过微生物基因组测序,基因型在高通量条件下更容易测量,但是将它们与表型联系起来具有挑战性,因为表型会随生境和较小的基因型差异而急剧变化。

种内变异的多种尺度和维度反映了物种内调查可以解决许多生物学问题。基于分离的方法已用于调查涉及种内变异的许多生物学问题。随着宏基因组方法的兴起,现在可以在高通量下调查一些相同的问题,也可以同时对群落中的许多物种进行研究(有重要限制;框2;框3)。下面,我们将描述基于分离方法开创的重要的生物学应用现在有多少可以使用宏基因组方法进行研究。我们将这类调查的常见例子归纳为5大主题,围绕关键生物学问题开展(图3)。对于每个主题,我们总结了方法论方法和适当的术语,并提供了相关研究或软件的示例。

此样本中的细胞最初来自哪里?为了确定微生物细胞传播或扩散方式,必须确定其确切来源。通过比较来自目标细胞或种群的遗传物质与其潜在来源种群或祖先的遗传物质进行比较,可以计算出细胞从特定来源种群中扩散或成为特定来源种群直接后代的可能性(来源追踪、传播追踪或谱系追踪;图3a)。从宏基因组数据确定源种群的策略包括检测共享SNV、CRISPR信号或菌株特异性基因的存在以及基因组重建。这些方法已用于评估是否有细菌细胞从人的口腔传播到肠道,从母亲传播到婴儿,从益生菌治疗传播到消费者或从粪便微生物组的捐赠者传播到受体。这些策略可能被等位基因连接的宏基因组破坏,从而使多个来源种群以及目标种群的进化变得复杂。因此,尽管谱系追踪方法可用于病原体源检测,但对于流行病爆发的分析可能不够。在源追踪中,可以用更具体的术语“谱系”来代替通用术语“菌株”,该术语可以用单倍型来表征。由宏基因组数据确定基因组单倍型仍然是一个挑战。然而,随着错误率的降低,有望实现单个DNA分子的长序列测序。

该物种内中变体的进化史是什么?在系统发育重建中,从遗传相似性推断一个物种内多个谱系的相关祖先(图3b)。这种相似性可以基于完整的基因组或遗传片段(例如标记基因)获得。由于HGT和同源重组,重建的系统发育可能会根据所选择的基因座而有所不同,可能无法用遗传片段的系统发育反映总基因组的系统发育。可选择地,物种内的系统发育研究可能集中于重建物种内特定基因的历史或质粒的历史。物种内系统发育把这些历史放在观察到的地理分布背景下。使用分离基因组进行系统发育分析已得到很好的实践,如果回收了高质量的基因组,例如使用MAG或单个扩增的基因组,这些方法可以应用于微生物群落。但是,在此应用之前必须考虑数据质量问题(框3)。另外,一种典型的方法是在宏基因组中鉴定同种、同源基因片段(例如,通过比对参考序列),检测其中的SNV,然后推断其最可能的历史。可以基于系统发育来定义物种内的群组,方法是在任意相似度上将生成的树切割为任意相似度,从而创建“系统型”。在这种情况下,可以用更具体的术语“ 进化枝”或“系统型”代替通用词“菌株”。

图3. 种内变异的应用

该物种是否具有不同的亚种群?描述物种的遗传种群结构可以表明其地理历史或解释与宿主疾病状态的异质性联系。物种的种群结构可以通过与观察数据重叠的遗传数据确定以描述种内和种间变体遗传相似性的分布。当在所观察到的物种变体中遗传相似性具有平滑分布时,就会出现均匀的结构(涂片)。当祖先和姐妹进化枝种群存在时,即在树内几乎没有未观察到的种群不时,就会发生这种情况(图3e)。相反,当遗传相似性之间存在不连续性时,会出现簇状结构,从而使进化枝可以分为不同的簇。这种不均匀的结构是由树内灭绝的分支所形成的(图3d)。这表现为亚群,即整个种群中遗传变异频率不同(例如,等位基因或SNV)的子集。

通过寻找潜在亚群之间遗传相似性的聚类,宏基因组可用于研究微生物群内的种群遗传学。检测亚种群对采样工作很敏感,因为遗传相似性的不连续性可能是因为未能观察到中间产物(框3),可以根据整个基因组中SNV等位基因频率,标记基因中SNV或基因含量差异来评估此类遗传相似性。当MAG或单个扩增基因组产生时可以使用基于基因组ANI进行聚类。MAG还可以用于追踪SNV和基因含量差异,在这种情况下,有时用“菌株”来指代一个或多个亚种是不恰当地。如果亚种适应了不同的生态位则可能是生态型,例如通过基因组广泛扫描而不是基因特异性扫描。

该物种内的变体是否适应了不同的条件?研究物种内变体及其生境可以提供生态位特异性的信息(图3f)。当使用遗传数据推断未描述的栖息地时,有时被称为“反向生态”。这些查询通常旨在确定那些对于适应特定环境至关重要的遗传片段(例如,基因、操纵子或质粒)。这些片段的获取可能来自垂直传播或水平传播,因此可能与该物种的系统发育史形成鲜明对比。例如,由于在选择性条件下(基因特异性扫描),HGT频繁发生,因此一个基因能够在种群间广泛传播,例如在抗生素存在的情况下,HGT频繁发生使得基因可以在人群中迅速普及。使用宏基因组数据研究这些问题的常用方法是查看已适应不同条件的同种亚群细胞(例如,不同人类宿主饮食、土壤与植物宿主或湖水栖息地的变化),然后确定独特的基因。基因组宽度联系研究中使用的方法也可以在这里应用,尽管这些方法通常不关注种群的适应性进化。在这种情况下,一般术语“菌株”可用更具体的术语“生态型”代替。

在图3所示的例子中,遗传种群结构调查将关注于欧洲和亚洲种群的等位基因频率差异,以决定这些种群是不同的亚群还是属于一个连续种群。无论欧洲和亚洲人口是否是不同的亚群,生态位推断研究将关注与不同饮食相关的肠道微生物组物种的基因差异。

该物种变体是否属于先前描述的物种亚组?分类分析评估了同种物种变体中具有特定目的的遗传特征(例如SNV、基因、操纵子或质粒;图3c)。在这种情况下,物种内群体的确定不是基于进化史或栖息地范围,而是根据是否存在特定遗传特征。这样的特征可以赋予栖息地适应性,可以是短暂的,并且仅在抗微生物抗性基因、致病性基因(例如,肠致病性大肠杆菌)或鞭毛等罕见或人工条件下表达。在这种情况下,主要考虑HGT,因为其结果意味着遗传特征的存在并不一定反映系统发育。

宏基因组方法可用于检测定义分类的遗传特征。可以基于参考序列检测已知SNV或新SNV的重要性。在宏基因组中已经基于与参考序列的同源性检测搭到分类基因的存在,但是群落内可能存在HGT,因此很难确定这些基因是否存在于特定菌株中。在宏基因组数据中,无论有无组装基因组,均可直接研究HGT。

物种变体内相同表型的比较分析能发现与该表型相关(并可能引起该表型)的特定遗传特征(例如在基因组宽度相关的研究)。例如,仅基于它们在显示相似症状的宿主中存在就可以将同种细胞分组为致病性“变体”,而无需了解细胞或其典型栖息地的进化关系。在这种情况下,一般术语“菌株”可以用更具体的术语“病理型”代替

传统上,使用分离基因组方法或低分辨率分子方法对上述主题进行了研究(框1)。随着宏基因组研究产生了大量数据,已经建立了数十种新方法来研究相同的问题,通常使用它们自己的新词汇。考虑如何将这些新方法映射到它们要解决的基本生物学问题上以及该领域的研究历史将如何控制术语的爆炸式增长。许多研究将上述主题组合在一起,但是单独考虑基本单元将有助于分解复杂问题并选择最合适的方法和术语。

尽管在微生物组调查中,通常考虑的是最高分辨率的分类类别,但物种仍可能具有极端的表型变异性。过去使用的是一些基于分离方法获得的数量有限的可培养细菌,因此研究这种变异性的范围相对有限。随着宏基因组测序的发展,可以研究的物种数量和可以使用的方法数量大大增加。根据许多标准和尺度,对物种内部变异进行分级也使术语增长和不精确。揭示物种内部变异是如何产生的,并确定所要研究的核心生物学问题,有助于确定正确的术语和方法。在某些情况下,最合适的术语可能具有操作性定义,并且其详细信息和阈值可能因研究而异。为了促进沟通和协作,能对宏基因研究进行比较,应尽可能避免使用没有严格定义或广为人知的术语。本综述旨在指导此类描述,并支持将物种内调查技术更广泛地应用于宏基因组学数据的开发和应用

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