周报 | 最新微生物研究进展（20210301）
Nature及其子刊
科研| Nature：早产儿微生物群装配的多界生态驱动因素
本文由如风编译
美国波士顿儿童医院、曼彻斯特大学生物科学学院，美国哈佛医学院、麻省理工学院和哈佛大学布罗德研究所Katharine Z. Coyte和Seth Rakoff-Nahoum等人于2021年2月24日在Nature发表题为《Multi-kingdom ecological drivers of microbiota assembly in preterm infants》的文章，本研究通过对178名早产儿的细菌、真菌和古菌的绝对动态进行量化，使用多界绝对丰度量化、生态模型和实验验证，表明特定微生物及环境依赖的相互作用可能是微生物群装配的驱动因素。本研究为微生物生态学及微生物针对性干预以促进肠道发育具有重要的启发意义。
摘要：早产儿肠道微生物的发育是可以预测的，出生后先锋微生物首先在肠道内定植，随后微生物有序地连续定植。肠道微生物对早产儿的健康至关重要，但塑造这些可预测的微生物群装配动态的驱动力尚不清楚。环境、宿主和微生物之间的相互作用都可能塑造微生物群的动态特征，但在这样一个复杂的生态系统中，想要确定任何单个因素的具体作用都是具有挑战性的。在这里，我们使用多界绝对丰度量化、生态模型和实验验证来应对这一挑战。我们对178名早产儿的细菌、真菌和古菌的绝对动态进行了量化。我们发现了微生物的繁殖和灭绝，并表明婴儿肠道中细菌和真菌的数量呈负相关。我们在体外和体内通过计算和实验证明，可预测的装配动力学可能是由特定微生物之间直接及环境依赖的相互作用驱动的。微生物群中较晚定植的克雷伯氏菌（Klebsiella）反映了宏观生态系统的动态，利用先驱微生物葡萄球菌（Staphylococcus）在肠道中立足。值得注意的是，我们发现不同界之间的相互作用会影响微生物群装配，而一个单一的真菌物种-白色念珠菌Candida albicans -会抑制多个优势菌属的肠道细菌。我们的工作揭示了简单微生物-微生物相互作用在形成宿主相关微生物群的中心地位，这对于我们理解微生物群生态学和有针对性地进行微生物群干预都是至关重要的。
原名：Multi-kingdom ecological drivers of microbiota assembly in preterm infants
译名：早产儿微生物群装配的多界生态驱动因素
期刊：Nature
IF：42.778
发表时间：2021.2.24
通讯作者：Katharine Z. Coyte, Seth Rakoff-Nahoum
通讯作者单位：美国波士顿儿童医院、曼彻斯特大学生物科学学院，美国哈佛医学院、麻省理工学院和哈佛大学布罗德研究所
DOI号：10.1038/s41586-021-03241-8
原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41586-021-03241-8
科研| Nature Climate Change：气候变暖促进微生物网络的复杂性和稳定性
本文由低音符编译
美国俄克拉荷马大学环境基因组研究所Jizhong Zhou等人于2021年02月22日在Nature Climate Change发表题为《Climate warming enhances microbial network complexity and stability》的文章，本研究在实验条件下探索了气候变暖对于草地微生物分子网络复杂性、稳定性及二者关系的影响。研究发现草地网络稳定性与其复杂性密切相关，气候变暖会增加微生物分子生态网络的复杂性和稳定性。该研究对于预测未来气候变暖对草地生态系统影响具有重要价值。
摘要：气候变化条件下微生物生态网络的复杂性和稳定性之间具有何种关系？这是理论生态学中颇具挑战性的论题。但当前在微生物生态学领域尚未对该论题进行深入研究。本文研究了长期实验性升温对草地土壤微生物群落中分子生态网络的复杂性和稳定性的影响。与控制温度的对照组相比，温度升高显著增加了微生物分子生态网络复杂性，包括网络大小、连接性、连通性、平均聚类系数、相对模块度和关键种类数量。温度升高后微生物的分子生态网络稳定性显著提高，同时发现网络稳定性与其复杂性密切相关，这与生态学主要观点即复杂性产生稳定性相一致。此外，温度升高显著加强了与潜在功能相关的微生物群落网络结构和关键生态系统功能之间的关系。上述结果表明，保护微生物的“相互作用”对于管理生态系统及预测未来气候变暖生态后果至关重要。
原名：Climate warming enhances microbial network complexity and stability
译名：气候变暖促进微生物网络的复杂性和稳定性
期刊：Nature Climate Change
IF：20.893
发表时间：2021.02.22
通讯作者：Jizhong Zhou
通讯作者单位：美国俄克拉荷马大学环境基因组研究所
DOI号：10.1038/s41558-021-00989-9
原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41558-021-00989-9
Microbiome
科研| Microbiome：在简化的人类肠道微生物组中发现与群落相关的新型小蛋白
本文R.A Uyghurii编译
德国莱比锡大生物科学，药学与心理学学院生物化学研究所Martin von Bergen等人于2021年2月23日在Microbiome发表题为《Discovery of novel community-relevant small proteins in a simplified human intestinal microbiome》的文章，在这项研究中，作者将先前开发的综合蛋白质组学搜索数据库方法扩展到针对多物种的应用，从而能够从简化的人肠道菌群（SIHUMIx）微生物群落模型中鉴定出新的新型小蛋白（sProtein）。使用宏转录组学方法筛选新型sProtein在RNA水平的表达的证据，并通过比较实验鉴定的肽段与合成肽段的光谱图进行进一步验证。研究结果表明，用于发现新型sProtein的集成实验和生物信息学工作流程还可以应用于其他微生物群落。
摘要：肠道菌群在保护宿主免受病原微生物侵害，调节免疫力和调节代谢过程中起着至关重要的作用。作者研究了由8个细菌组成的简化的人肠道菌群（SIHUMIx），特别着重于探索由少于100个氨基酸组成的新型小蛋白（即： sProteins），而其中的部分小蛋白可能在简化人肠道菌群的形成中起作用。尽管sProtein具有广泛的重要功能，但在基因组注释中仍然经常被遗漏，而且它们在单个微生物，尤其是微生物群落中的结构和功能鲜为人知。本研究中，作者创建了一个多物种综合蛋白质组学搜索数据库（iPtgxDB），以全面鉴定新型sProteins。没有完整基因组的8种SIHUMIx物种中有6种进行了测序并重新组装。包括两种较早优化的sProtein富集策略在内的几种蛋白质组学方法被专门用来提高新型sProtein发现的几率。针对多物种iPtgxDB的串联质谱（MS / MS）数据搜索，鉴定了31种新的sProtein，其中30种的表达与转录组学数据结果一致。使用合成肽，我们能够验证25种新型sProteins的表达。每个菌株中sProtein表达与多物种群落培养的比较表明，仅在SIHUMIx群落中鉴定出其中的六个sProtein，这表明sProtein在微生物群落的组织中可能具有重要作用。这些新颖的sProtein中有两个具有潜在的抗菌功能。代谢建模结果显示，第三个sProtein位于一个基因组区域，该区域编码几种与SIHUMIx内社区代谢相关的酶。本研究概述了一个综合实验和生物信息学的工作流程，用于在简化的肠道模型系统中发现新的sProtein，该模型可普遍应用于其他微生物群落。有望进一步分析在SIHUMIx多物种群落中独特表达的新型sProtein，从而使人们对sProteins在细菌群落功能（如：人类肠道的功能）中的作用获得新的认识。
原名：Discovery of novel community-relevant small proteins in a simplified human intestinal microbiome
译名：在简化的人类肠道微生物组中发现与群落相关的新型小蛋白
期刊：Microbiome
IF：11.6
发表时间：2021.2.23
通讯作者：Martin von Bergen
通讯作者单位：德国莱比锡大生物科学，药学与心理学学院生物化学研究所
DOI号：https://doi.org/10.1186/s40168-020-00981-z
原文链接：
https://microbiomejournal.biomedcentral.com/articles/10.1186/s40168-020-00981-z
视频摘要
科研| Microbiome：环境因素驱动了口腔微生物的获取，而非宿主遗传因素
本文由Climo编译
俄亥俄州立大学牙科学院Ann L. Griffen等人于2021年2月23日在Microbiome发表题为《Acquisition of oral microbiota is driven by environment, not host genetics》的文章，本研究通过对比同卵和异卵双胞胎的口腔菌群对比，排除了遗传在口腔微生物构成中起的作用，通过对生物学母子以及收养的母子间口腔微生物的构成对比，同居夫妇以及一些大家庭的口腔菌群构成进行研究，证明了接触和共享的生活环境是口腔微生物菌群殖民口腔的驱动因素，而非遗传因素。
摘要：口腔微生物群形成于很早的时期，但影响其形成的因素还不清楚。以往对同卵双胞胎（MZ）和异卵双胞胎（DZ）的比较研究表明，宿主遗传学在其中起着一定作用。然而，所有的双胞胎都有一部分相同的来自父母的基因组，所以这个模型对于研究父母对孩子的微生物菌群遗传并没有帮助。我们采用了一种新颖的研究设计，我们通过比较生物学上的母子的口腔微生物菌群以及收养关系的母子的口腔微生物群，直接检查遗传因素带来的影响。结果，我们并没有观察到口腔细菌群落与生母-孩子组合还是收养关系的母子之间的配对的匹配程度有多大差异，这表明宿主遗传对传播保真度的影响很小。无论是领养的孩子还是亲生的孩子都更像他们自己的母亲，这一结果支持接触和环境在菌群形成中起作用的观点。母子菌株的相似性随着儿童年龄的增加而增加，排除了宿主遗传影响的早期影响，遗传的影响会随着时间的推移而逐渐消失。阴道分娩或母乳喂养对母子菌群的保真度没有影响。对大家庭的分析表明，父亲和母亲与他们的孩子的口腔微生物群是同样相似的，甚至同居夫妇比母子之间表现出更大的相似性。以上这些发现均支持接触和环境，年龄是微生物传播的决定因素，而不是遗传，并且跨越了多个口腔环境。此外，对单个物种的分析也显示出相似的结果。因此本文得出结论，宿主在形成口腔微生物组的组成方面很明显是活跃的，因为在更大的环境中众多细菌物种中只有少数能够殖民人类的口腔。我们的研究结果表明，这些宿主因素机制在人类中是普遍共享的，因为遗传亲缘关系对微生物传播的保真度没有影响。相反，我们的研究结果表明，接触和共享的环境是微生物传播的驱动因素，这些因素的独特组合最终形成高度个性化的人类口腔微生物群。
关键词：口腔微生物群；获取；菌株水平；遗传；传播；人类
原名：Acquisition of oral microbiota is driven by environment, not host genetics
译名：环境因素驱动了口腔微生物的获取，而非宿主遗传因素
期刊：Microbiome
IF：11.607
发表时间：2021.2.23
通讯作者：Ann L. Griffen
通讯作者单位：俄亥俄州立大学牙科学院
DOI号：10.1186/s40168-020-00986-8
原文链接：
https://microbiomejournal.biomedcentral.com/articles/10.1186/s40168-020-00986-8
视频摘要
ISME Journal
科研| The ISME Journal：气候变化通过早期融雪改变了高山土壤微生物功能和生物地球化学循环的时间动态
本文由艾奥里亚编译
英国曼彻斯特大学的Arthur A. D. Broadbent等人于2021年2月22日在The ISME Journal发表题为《Climate change alters temporal dynamics of alpine soil microbial functioning and biogeochemical cycling via earlier snowmelt》的文章，Arthur A. D. Broadbent担任该研究通讯作者。该研究通过在冬末、融雪、春季、初夏四个跨季节时间下的6个时间节点对高寒生态系统的土壤进行取样，探究了土壤微生物群落对气候变化的响应，以及这种响应如何影响生物地球化学循环。同时作者提出三个科学问题：1、春季融雪期间土壤微生物群落组成的季节变化是否与高山草原土壤微生物功能和生物地球化学循环的变化密切相关；2、融雪时间的改变是否会改变这些转变的时间；3、之前的冬季条件是否会影响融雪物候期发生的土壤微生物和生物地球化学过程。基于磷脂脂肪酸（PLFA）、基因测序、酶活表征结合其他土壤理化性质，笔者发现融雪期间土壤微生物群落组成的突变与一系列微生物功能和生物地球化学循环的变化密切相关。这种规模的融雪时间变化可能会对这些脆弱的全球生态系统中的生物地球化学循环和植物生长产生深远的影响。
摘要：土壤微生物群落在全球生物地球化学循环中起到调节作用，并对不断变化的环境条件做出快速响应。然而，了解土壤微生物群落如何响应气候变化，以及这如何影响生物地球化学循环，仍然是一个重大挑战。高山地区的气候变化速度是全球平均水平的两倍，这会使得积雪将大幅减少，春季积雪将提前融化，这一特点使得相关研究在该地区显得尤为重要。本研究中，我们发现春季融雪引发了高寒草原土壤微生物群落组成的突变，这种突变与土壤微生物功能、生物地球化学库和通量的变化密切相关。此外，通过实验调控积雪的覆盖情况，我们表明，积雪融化驱动了大范围微生物和生物地球化学土壤性质的这种突然的季节性转变。之前的冬季条件并没有改变融雪期间发生的过程。我们的发现强调了季节动态对土壤微生物群落及其调节生物地球化学循环的重要性。此外，我们的发现表明，气候变化导致的早期春积雪融化将对这些全球广泛分布的高山生态系统中的微生物群落和养分循环产生深远的影响。
原名：Climate change alters temporal dynamics of alpine soil microbial functioning and biogeochemical cycling via earlier snowmelt
译名：气候变化通过早期融雪改变了高山土壤微生物功能和生物地球化学循环的时间动态
期刊：The ISME Journal
IF：9.180
发表时间：2021.02.22
通讯作者：Arthur A. D. Broadbent
通讯作者单位：英国曼彻斯特大学（The University of Manchester）
DOI号：10.1038/s41396-021-00922-0
原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41396-021-00922-0
科研| The ISME Journal：通过表征微生物来源有机碳库改进土壤碳循环模型
本文由韬儿编译
东北师范大学地理科学学院，长白山地理过程和生态安全重点实验室、植被生态重点实验室，白娥等人于2021年2月22日在The ISME Journal发表题为《Improved model simulation of soil carbon cycling by representing the microbially derived organic carbon pool》的文章。现有评估全球土壤有机碳库大小的过程模型还有50%的不确定性，有研究提出考虑氮限制、微生物周转可以改进地球系统模型，可见，将观察实验中证实的机制纳入过程模型有利于更好地模拟和预测碳循环和气候变化。土壤碳库是微生物和植物残体，以及降解产物的复杂混合物，这些组分的降解速率和模式都不同，而且微生物残体对有机质形成的贡献可能高于植物残体，所以应该把植物残体碳库考虑进模型中。本研究通过将微生物残体碳库纳入一阶动力学模型和Michaelis-Menten模型，创新性地建立了两种名为Michaelis-Menten necromass decomposition（MINI）和first order necromass decomposition（FOND）的模型来模拟微生物残体碳库，并用13C标记的微生物残体降解实验数据验证模型的有效性和准确性。该研究对于更好地模拟与预测土壤碳循环和气候变化具有重要意义。
摘要：微生物产物（如微生物残体和代谢产物）可能会在土壤有机碳（SOC）分解过程中形成重要的稳定碳库，即所谓的微生物来源碳。这种微生物来源碳的分解模式不同于植物来源碳。然而，现有的地球系统模型并没有单独模拟这种微生物来源碳库。本研究中，我们将微生物残体碳库分别纳入一阶动力学模型和Michaelis-Menten模型，用之前13C标记的微生物残体降解实验数据验证模型。结果发现，我们的模型比现有模型表现出更好的模拟性能，Michaelis-Menten模型比一阶动力学模型模拟得更好。我们的模型估计微生物残体碳占土壤总有机碳的10-27%，因此微生物残体碳不可忽视。本研究对过程模型的创新性修改能更好地模拟全球变化背景的土壤有机碳循环。
原名：Improved model simulation of soil carbon cycling by representing the microbially derived organic carbon pool
译名：通过表征微生物来源有机碳库改进土壤碳循环模型
期刊：The ISME Journal
IF：9.180
发表时间：2021.2.22
通讯作者：白娥（Edith Bai）
通讯作者单位：东北师范大学地理科学学院，长白山地理过程和生态安全重点实验室、植被生态重点实验室
DOI号：10.1038/s41396-021-00914-0
原文链接：
https://www.nature.com/ articles/s41396-021-00914-0
Gut Microbes
科研| Gut Microbes：靶向输送结肠的维生素对人体肠道菌群组成和代谢活性的影响——一项初步研究
本文由明天只是重复过往编译
瑞士帝斯曼营养产品有限公司Van T. Pham等人于2021年2月21日在Gut Microbes发表题为《Effects of colon-targeted vitamins on the composition and metabolic activity of the human gut microbiome- a pilot study》的文章，本研究通过结肠靶向给药，研究了维生素A、B2、C、D和E对人体肠道微生物组成和相关代谢活性的影响。此外，还进行了一系列体外实验，包括短期分批发酵和细胞模型，以研究这些维生素对肠屏障功能和免疫应答的影响。结果揭示，维生素可以调节人体肠道微生物群并产生有益作用。
摘要：越来越多的证据表明，肠道微生物群失衡与疾病有关。目前，通过开发新的治疗和预防策略来调节肠道微生物群以逆转这些干扰的可能性，正在被广泛研究。维生素对肠道微生物群的调节作用和相关的宿主健康益处仍不清楚。本文通过人体临床研究和分批发酵实验，结合评估肠屏障和免疫功能的细胞模型，研究了靶向结肠输送的维生素A、B2、C、D和E对肠道微生物群的影响。维生素C、B2和D可以调节人体肠道微生物的代谢活性和细菌组成。最明显的影响是，当维生素C与安慰剂相比时，维生素C显著增加了微生物α-多样性和粪便短链脂肪酸。其余被研究的维生素对微生物多样性、组成和体外代谢活性的影响相似，但程度不同。在这里，本文发现维生素可以调节人体肠道微生物群。后续研究表明，维生素靶向结肠输送可能有助于阐明这一新概念对于治疗和预防与益生菌相关的人类疾病的临床意义。
关键词：维生素；失调；肠道菌群；靶向给药
原名：Effects of colon-targeted vitamins on the composition and metabolic activity of the human gut microbiome-a pilot study
译名：靶向输送结肠的维生素对人体肠道菌群组成和代谢活性的影响——一项初步研究
期刊：Gut Microbes
IF：7.74
发表时间：2021年2月21日
通讯作者：Van T. Pham
通讯作者单位：瑞士帝斯曼营养产品有限公司人类营养与健康研发部
DOI号：10.1080/19490976.2021.1875774
原文链接：
https://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/19490976.2021.1875774
mSystems
科研| mSystems：人群微生物组研究的数据分析策略-当前实践的系统回顾
本文由Larry.Lu编译
德国明斯特大学流行病学与社会医学研究所Sven Kleine Bardenhorst等人于2021年2月23日在mSystems发表题为《Data Analysis Strategies for Microbiome Studies in Human Populations—a Systematic Review of Current Practice》的文章，该研究通过关注现有的419项分析人类微生物数据的研究成果，提取其中的研究问题、研究设计和分析策略，发现用于分析人类微生物组数据的分析方法的发展并没有跟上该领域的快速发展。本文强调了对现有方法的优点和缺点进行广泛评估的必要性，以便指导正确的分析策略的选择。同时确定了可以设计新的方法来解决更高级的研究问题，并且考虑到数据的复杂结构。
摘要：可重复性是微生物组研究中的一个重要问题，难以重复的部分原因是对数据分析策略缺乏共识。微生物组学数据具有复杂特性，高维度、零膨胀、复杂组成的特征使它们在分析上存在挑战，因为它们经常违反经典统计方法的前提假设。随着人类微生物组研究的发展，研究问题和研究设计的复杂性逐渐增加，因此更复杂的数据分析概念被应用。为了改善当前微生物组分析研究的实践，了解所提出的研究问题以及使用哪种工具来回答这些问题是非常重要的。本文对2018年6月至2019年6月所有关注分析人类微生物组数据的出版物进行了系统的文献综述。在1444项被筛选的研究中，其中419项符合纳入标准。提取了有关研究问题、研究设计和分析策略的信息。由于三分之一的研究对聚类数据进行了分析，结果证实了预期将转向更高级的研究问题。虽然所使用的方法在分析过程的任何阶段都存在异质性，但在差异丰度检验中异质性最大。特别是如果底层数据结构是聚类分析的，研究发现在考虑数据中的附加依赖性的同时，缺乏适当处理底层数据结构的方法。本文的结果证实了微生物组研究中的分析策略存在相当大的异质性;越来越复杂的研究问题需要更好的分析策略指导。
关键词：微生物组，16S rRNA，宏基因组测序，分析策略
原名：Data Analysis Strategies for Microbiome Studies in Human Populations—a Systematic Review of Current Practice
译名：人群微生物组研究的数据分析策略-当前实践的系统回顾
期刊：mSystems
IF：6.633
发表时间：2021.2.23
通讯作者：Sven Kleine Bardenhorst
通讯作者单位：德国明斯特大学流行病学与社会医学研究所
DOI号：10.1128/mSystems.01154-20
原文链接：
https://msystems.asm.org/content/6/1/e01154-20
Plant and Soil
科研| Plant and Soil：土壤-植物系统中的微塑料：在不同残留物残留的土壤中，纳米塑料/微塑料对植物光合作用、根际微生物和土壤性质的影响
本文由艾奥里亚编译
南开大学（Nankai University）的Xinwei Ren等人于2021年2月23日在Plant and Soil发表题为《Microplastics in soil-plant system: effects of nano/microplastics on plant photosynthesis, rhizosphere microbes and soil properties in soil with different residues》的文章，唐景春教授担任该研究通讯作者。在本研究中，基于两种粒径的PS-beads模拟污泥施用和污水灌溉产生的微塑料（MPs）；用聚丁烯和己二酸酯-对苯二甲酸乙二酯（Polybutylene adipate-co-terephthalate，PBAT）组成的可降解地膜（DMF）模拟地膜残留物；选用锯末生物炭模拟多媒介土壤。以卷心菜作为研究对象，探究了生物炭和MPs对植物生长、光合活性和根际微生物群落的影响。本研究旨在阐明植物-微生物-土壤系统对外源物质的响应，有助于更全面地了解植物-微生物-土壤系统对外源物质的响应机制。
摘要：目的：研究聚苯乙烯微塑料（PS-beads）在土壤中的不同残留程度对土壤性质、对卷心菜光合作用、对根际微生物群落及其潜在相关性的影响。
方法：通过盆栽试验，研究了PS-beads（PS-MPs，M1，5μm；PS-NPs，M2，70 nm）在无残留物土壤（N）、生物炭残留土壤（B）、可降解地膜残留土壤（DMF，D）、生物炭+DMF残留土壤（BD）中对植物光合作用和生长参数、土壤溶解有机质（DOM）及其特征功能群、微生物群落和代谢预测的影响。
主要结果：叶绿素a比叶绿素b对外源物质更敏感。在不同残留物残留的土壤中，不同粒径的PS-beads可以改变DOM芳香环上不同的组成、结构和官能团，从而进一步改变微生物群落和代谢。M2降低了D组的总溶解氮（TDN）和NO3-，增加了植株的重量，同时M2增加了N组的植株重量，降低了B组的净光合速率。不同粒径的PS-beads通过改变微生物的代谢和微生物间的相互关系，影响了植物生长的不同参数，潜在地改变了植物的生长和光合参数。PS-beads在不同残留物残留的土壤中影响植物生长的可能机制不同。
结论：我们的结果证明PS-beads可能通过改变微生物的代谢和微生物间的相互关系来改变植物的生长和光合作用。
关键词：可降解的地膜碎片、生物炭、微塑料、光合作用、根际微生物、PICRUSt2
原名：Microplastics in soil-plant system: effects of nano/microplastics on plant photosynthesis, rhizosphere microbes and soil properties in soil with different residues
译名：土壤-植物系统中的微塑料：在不同残留物残留的土壤中，纳米塑料/微塑料残留对植物光合作用、根际微生物和土壤性质的影响
期刊：Plant and Soil
IF：3.299
发表时间：2021.02.23
通讯作者：唐景春
通讯作者单位：南开大学（Nankai University）
DOI号：10.1007/s11104-021-04869-1
原文链接：
https://link.springer.com/article/10.1007/s11104-021-04869-1
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