微生物培养有何新突破？34分综述一览阶段性进展 | 热心肠日报

今天是第1626期日报。

Nature Reviews：微生物培养技术的创新进展（综述）

Nature Reviews Microbiology[IF:34.209]

① 尽管大部分微生物目前难以被常规方法分离培养，但是要研究环境、人体共生古菌、细菌的生物学、生态学和进化学功能，需要依赖微生物细胞分离和培养；② 制约微生物分离和培养的因素包括复杂且不确定的培养条件、缺乏复苏休眠微生物的手段、微生物的生存依赖于微生物间共生或接触关系、原始环境中微生物丰度低等；③ 创新的培养方法包括基于膜扩散的培养方法、微流控培养方法和基于细胞分选的培养方法，部分技术已成功用于分离新微生物。

Innovations to culturing the uncultured microbial majority
10-22, doi: 10.1038/s41579-020-00458-8

【主编评语】虽然测序技术的开发使得微生物研究可以脱离单菌株操作，但是深入的机制研究依然需要单菌株分离和培养。本综述总结了目前急需创新培养方法的微生物研究领域，归纳了制约现有菌株分离、鉴定、培养的因素，并介绍了近年来开发的一系列创新分离鉴定方法，对于经典微生物学、新兴微生态学研究都具有借鉴意义。（@周旸）

功能基因组学结合微流控，高效挖掘微生态功能基因

Microbiome[IF:11.607]

① 新开发的基于液滴微流控的功能基因组学方法，可在1小时内从少于10微克的底物中，分选相当于数千个细菌基因组大小的fosmid表达文库；② 特殊的水-油-水双重微液滴，使文库分选可在流式细胞仪中进行，微液滴中fosmid载体细菌具有功能活性、可适应下游分析；③ 利用该方法，筛选出可分解肠黏蛋白聚糖结构类似物的多种细菌代谢通路，④ 其中与炎症性肠病（IBD）有关的通路提供了菌群-宿主互作研究的新靶标，且可能涉及拟杆菌属内基因水平转移。

Investigating host-microbiome interactions by droplet based microfluidics
10-01, doi: 10.1186/s40168-020-00911-z

【主编评语】高效的功能基因组方法，有助于阐释肠道微生物利用肠粘膜多糖的机制。本研究建立了一种高效的微生态功能基因组研究方法，通过建立长片段fosmid文库、微液滴筛选大肠杆菌表达株，可利用常规流式细胞分选仪进行高通量功能基因组筛选，适用于各种基于宏基因组的功能筛选。利用该方法，本研究鉴定了细菌中与IBD相关的粘蛋白聚糖分解酶，有望从菌种特异的功能基因角度阐释IBD患者肠道菌群特点。（@周旸）

Nature Reviews：二代生理学方法-单细胞技术在微生态研究中显身手（综述）

Nature Reviews Microbiology[IF:34.209]

① 二代生理学研究微生物组中单细胞功能包括非侵入性采集样本、非破坏性观察表型、按表型分选细胞、进行下游分析；② 采用免标记、光学显微镜+拉曼显微光谱学直接检测细胞固有特征、天然化学成分；③ 稳定同位素探测将微生物与同位素标记反应物（底物或重水）进行孵育，靶向检测代谢活跃细胞同化作用；④ 底物类似物探测SAP包括荧光-SAP、非经典-SAP及基于活性、亲和力的蛋白分析，将微生物与天然分子的结构、功能类似合成物进行孵育、追踪。

Next-generation physiology approaches to study microbiome function at single cell level
02-13, doi: 10.1038/s41579-020-0323-1

【主编评语】生理学研究某一细胞在特定时间、生理化学条件下的功能，不能剥离环境单纯用基因组数据或代谢重建去描述。在微生物组的研究中，传统的生理学方法多取决于目标细菌是否能分离培养。Nature Reviews Microbiology发表综述，提出了二代生理学方法的概念并讨论了单细胞技术在微生物组研究中的应用以及与下游分析的结合。二代生理学方法具有采样非侵入性、观察非破坏性、以表型分析为基础、功能研究为目标的特点。作者提出如能大力推广二代生理学方法、进行广泛应用，则可使微生物组研究从相关性步入更为深入的因果、功能机理性研究。（@solo）

高保真读取单细菌转录情况的新方法

Nature Microbiology[IF:15.54]

① 为解决原核细胞无法适用于真核单细胞转录组测序策略的问题，开发了不依赖 poly(A)的原核细胞单细胞RNA测序方法；② 该方法通过流式细胞分选单个或10个细菌细胞，在PCR板上直接裂解，用MATQ-seq技术获得cDNA；③ 该方法可以准确检测到单个沙门氏菌和铜绿假单胞菌在不同生长条件下的所有RNA类型和数百个基因的表达情况，基因所在位置遍布细菌基因组；④ 该方法有望用于研究复杂的微生态体系，阐释宿主-共生微生物或宿主-病原互作机制。

Single-cell RNA-sequencing reports growth-condition-specific global transcriptomes of individual bacteria
10-15, doi: 10.1038/s41564-020-0774-1

【主编评语】检测单个细胞在不同条件下的转录情况，有助于阐释基因组相同的单细胞的表型、功能差异；但原核生物单细胞RNA测序一直是技术难点。Nature Microbiology近期发表了一种不依赖于转录片段poly(A)区域结合的细菌单细胞RNA测序方法，并在沙门氏菌和铜绿假单胞菌中验证该方法的实用性，有助于该技术运用于复杂微生态中的单细胞转录情况检测。（@周旸）

单细胞功能基因组学捕捉罕见纤维降解细菌

ISME Journal[IF:9.18]

① 通过荧光标记纤维素、分选与荧光纤维素结合的细菌，获得单个有潜在纤维降解功能的细菌；② 用该方法从热泉中筛选出157个荧光纤维素-细菌微粒，检测到40类细菌，许多细菌是与已知16S rRNA基因同源性低于80%的新菌株；③ 单细胞基因组测序发现Goldbacteria门的细菌具有特殊的纤维素酶，并在该门中发现了新细菌Cellulosimonas argentiregionis；④ 单细胞基因组测序发现了70个潜在纤维素分解酶，其中16种酶对木质纤维素衍生物具有催化活性。

Function-driven single-cell genomics uncovers cellulose-degrading bacteria from the rare biosphere
2019-11-21, doi: 10.1038/s41396-019-0557-y

【主编评语】从环境中筛选、鉴定出具有特定功能的细菌对于研究微生态功能具有重要意义。本研究利用底物荧光标记、流式细胞分选和单细胞基因组测序技术，从热泉环境中分离出了多种新的纤维降解细菌和纤维素分解酶。这种基于功能筛选的微生物单细胞基因组测序技术，有望用于阐释复杂微生态体系中的微生物功能，尤其适用于鉴别低丰度、难培养微生物。（@周旸）

Nature子刊：单细胞测序揭示胃肠道Wnt通路调控机制

Nature Communications[IF:12.121]

① 利用单细胞转录组测序鉴别出一类胃肠道基质细胞群——周细胞样基质细胞，其转录特征在胃和肠道中具有保守性；② 该群细胞邻近上皮细胞，高表达特络细胞、周细胞标志物和Wnt配体，Hh信号通路表达活跃；③ 该群细胞分泌Wnt配体、维持成体干细胞稳态，其Hh通路激活上皮细胞中Wnt通路、促进上皮再生；④ Hh通路激活小鼠中，转录因子GLI2对Wnt配体的激活在胃和肠道中有机制保守性；⑤ 抑制该群细胞或基质细胞的Wnt分泌，导致胃肠道再生和发育受损。

Single cell and genetic analyses reveal conserved populations and signaling mechanisms of gastrointestinal stromal niches
01-17, doi: 10.1038/s41467-019-14058-5

【主编评语】Wnt信号通路在促进胃肠道表皮再生和发育中具有功能保守性，但是胃部Wnt配体来源缺乏定论。发表在Nature Communications上的研究通过单细胞转录组测序，在胃肠道中鉴别出了表达Wnt配体周细胞样基质细胞，阐释了Hh信号通路以及转录因子GLI2对这群细胞中Wnt信号通路的调控机制。该研究结果证明了胃肠道中的干细胞具有功能冗余性，从而保证消化道表皮细胞再生和发育。（@周旸）

肠道细菌是否与宿主共同进化？

Cell Host and Microbe[IF:15.923]

① 哺乳动物与个别肠道微生物的系统发育树具有同步性，催生了“哺乳动物-共生微生物的系统发育同步性源于物种共进化”的理论；② 但这种共进化理论缺少数据支持，未全面考虑地理隔离这一重要因素；③ 地理隔离很可能是真正造成宿主-共生微生物系统发育同步性的主导因素，因为地理隔离不仅驱动宿主的生殖隔离和物种形成，还限制肠道微生物的宿主间交流；④ 证明“系统发育同步性源于物种共进化"的前提，需要排除地理隔离因素的影响。

Co-evolution and Co-speciation of Host-Gut Bacteria Systems
07-08, doi: 10.1016/j.chom.2020.06.013

【主编评语】尽管肠道菌群显著影响宿主健康，但是推动宿主-菌群系统进化的机制缺乏定论。Cell Host and Microbe发表的观点文章质疑了“哺乳动物-共生微生物的系统发育同步性源于物种共进化”的理论，强调了地理隔离对哺乳动物、共生微生物进化的重要影响。地理隔离并不是物种形成的必要条件，只有排除这一影响因素，才有可能证明宿主-菌群系统发育同步性与物种共进化的关系。（@周旸）

Science：微生物实验进化揭示其与宿主的基因型选择和更优共生

Science[IF:41.845]

① 根瘤菌与宿主基因型之间的匹配很大程度上决定了实验性细菌赋予宿主益处的差异；② 共生体质量和适合度中的Beta值呈强正相关性，意味着增加微生物适应性的基因组变体也增加了对植物的益处；③ 衍生的细菌为宿主提供了更大的利益，通常在与它们共享进化史的宿主基因型上获得了更高的适应度，这些基因组变异对本地宿主具有合作效应；④ 与伙伴选择相比，局部适应是塑造微生物合作更重要的进化力量。

Experimental evolution makes microbes more cooperative with their local host genotype
10-23, doi: 10.1126/science.abb7222

【主编评语】许多豆科植物与固氮菌或根瘤菌有一种宿主-共生关系，这对植物和微生物都有好处。近日，加拿大多伦多大学Megan E. Frederickson及其研究组发现，实验进化使微生物与其本地宿主基因型更加协作。相关论文于2020年10月23日在Science发表。通过长达一年的进化实验和研究固氮细菌（根瘤菌）如何适应豆类的交叉接种实验，研究人员测试了宿主是否选择了更具合作性的微生物菌株。研究人员将苜蓿中华根瘤菌（Ensifer meliloti）与五种蒺藜苜蓿（Medicago truncatula）基因型之一配对，这些基因型在“选择”细菌共生体的强度上有所不同。不受宿主选择的影响，苜蓿中华根瘤菌迅速适应其本地宿主基因型，并且当衍生微生物与宿主共享进化史时，它们会更有益。这种本地适应主要限于共生质粒，并且与信号基因突变相关。因此，合作取决于同伴基因型之间的匹配，并随着细菌适应其本地宿主而增加。研究人员介绍，微生物组科学的进步需要更好地了解有益微生物如何适应宿主。（@刘永鑫-中科院-宏基因组）

Nature Reviews：一文读懂植物-微生物组互作（综述）

Nature Reviews Microbiology[IF:34.209]

① 植物微生物组在宿主生长、养分吸收、胁迫耐受性和对病原体的抵抗力中起重要作用；② 本文首先介绍了植物微生物组领域相关20余个基本名词和3大类研究，包括宿主与环境因子、合成菌群和植物与微生物组互作；③ 然后描述了植物界细菌、古菌和真菌的核心微生物组；④ 讨论了微生物群落组装的机制，包括定植、代谢物、免疫逃逸和微生物互作等；⑤ 最后总结微生物组在植物营养获取、抗病和抗逆中最近的研究成果，并指明未来研究方向的。

Plant–microbiome interactions: from community assembly to plant health
08-12, doi: 10.1038/s41579-020-0412-1

【主编评语】本文作者在群落水平总结了植物微生物组的最新进展，探索了植物微生物组研究如何揭示植物、相关微生物群落和环境之间遗传、生化、物理和代谢相互作用的复杂网络。特别是，通过借鉴前瞻性遗传方法和比较基因组以及大型植物基因组和宏基因组数据集的计算分析，讨论了对植物相关微生物群落的组成，组装和动力学及其提供的宿主功能的当前理解，以及突出知识漏洞和未来方向。（@刘永鑫-中科院-宏基因组）

感谢本期日报的创作者：周旸，Unbroken，orchid，爱的抉择，刘永鑫-中科院-宏基因组

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