近日,中山大學教授李文均團隊在荒漠特殊生境微生物暗物質資源研究方面取得重要進展。相關成果發表于npj Biofilms and Microbiomes。
論文第一作者、中山大學-嘉應學院聯合基地博士后李帥表示,荒漠約占全球陸地總面積的1/3,是地球上面積最大、研究最不充分的生境之一,同時也是地球微生物多樣性的重要寶庫。對荒漠生態系統的微生物多樣性、組成和功能進行剖析,將有助于了解旱地生命帶來的全球變化、威脅與機遇。
該研究以挖掘沙漠土壤微生物暗物質為例,提出了一種融合了培養組學和宏基因組學方法(全長16S rRNA擴增子和鳥槍法測序)的多組學研究策略,即基于培養組的宏基因組學(CBM)。研究結果表明,將高分辨率的CBM方法與直接宏基因組測序相結合,能夠深入剖析和挖掘沙漠土壤中的微生物暗物質資源。
論文共同通訊作者李文均表示,盡管基于直接宏基因組學測序或培養組學的微生物組學研究不斷取得令人振奮的重要發現,但這兩種技術目前仍存在諸多局限性。在此之前,尚未有結合培養組學和培養富集宏基因組測序兩種方法對沙漠微生物組進行挖掘的研究報道。
作為一種整合的多組學研究策略,CBM能夠通過提高ASVs和高/中質量MAGs的恢復率,極大提高沙漠土壤微生物組的分類和功能分辨率,并且重要的是它能在宏基因組測序結果的指導下對感興趣的微生物進行恢復性分離。得益于物種水平的分析,研究還揭示了沙漠土壤中尚未被充分開發的細菌新資源的巨大潛力。
此外,多重條件組合下的培養組學實驗結果為分離沙漠土壤中某些特殊或新的細菌類群也提供了重要參考。有了這些數據,我們能更好地了解沙漠微生物的群落組成和分布、微生物之間的相互作用、環境適應機制以及物種基因庫。
“基于培養組的宏基因組學,為深入認識和挖掘微生物組樣本中的暗物質資源提供了一個新的視角,尤其是那些來自于極端或特殊生境的樣本。”李文均說。
相關論文信息:https://doi.org/10.1038/s41522-023-00439-8
沙漠占據地球陸地表面的三分之一,是微生物生物多樣性的潛在重要庫,但大多數沙漠微生物仍未被描述,被視為“微生物暗物質”。在這里,我們介紹了一種多組學策略,即基于文化組學的宏基因組學(CBM),它集成了大規模培養,全長16S rRNA基因擴增子和鳥槍式宏基因組測序。結果表明,CBM通過提高擴增子序列變異(ASV)和高質量/中等質量宏基因組組裝基因組(MAG)的回收率,捕獲了直接測序中遺漏的大量分類和功能多樣性。重要的是,煤層氣允許事后恢復感興趣的微生物(例如,新型或特定的分類群),即使是那些在培養物中豐度極低的微生物。此外,基于煤層氣和直接測序的菌株水平分析表明,沙漠土壤中蘊藏著相當數量的新型候選細菌(1941年,51.4%),其中1095種(來自煤層氣)是可培養的。然而,CBM不能準確反映原位環境中真實微生物組成和功能途徑的相對豐度,其使用與直接宏基因組測序相結合,可以更深入地了解沙漠微生物組。總體而言,本研究以高分辨率體現了CBM策略,是深入探索荒漠土壤中未開發的新型細菌資源的理想途徑,并大大擴展了我們對隱藏在廣袤沙漠中的微生物暗物質的認識。
沙漠是地球上最大和研究最不足的生物群落之一,約占全球陸地表面總量的三分之一1,是地球微生物多樣性的重要寶庫2.沙漠微生物在維持生態穩定和生物地球化學循環方面發揮著重要作用。對沙漠生態系統的微生物生物多樣性、組成和功能進行剖析將有助于了解旱地生物帶來的全球變化、威脅和機遇。3.此外,許多研究表明,沙漠棲息地中多樣化的微生物群落可以產生一系列令人印象深刻的新型生物活性化合物,包括抗菌、抗炎、抗腫瘤和抗群體感應候選藥物等。4,5,6,7,8.然而,由于生態位特化程度強,取樣困難,常規培養方法適應性有限,大部分沙漠微生物在實驗室中被忽視培養和表征9.微生物多樣性的這一大塊但尚未得到充分開發的部分代表了大量未充分開發和未表征的生物資源,俗稱“微生物暗物質”10,11,這是微生物生態學和生物資源開發的根本障礙12,13. 宏基因組方法(例如,16S擴增子和鳥槍測序)提供了相對簡單和快速的方法來分析微生物群落的分類組成和功能潛力,并在無需培養的情況下恢復全基因組序列14.最近對沙漠微生物組的宏基因組學調查大大促進了我們目前對全球沙漠中微生物種群組成和功能的理解。15、16、17 ,如阿塔卡馬沙漠18,19,20,21, 納米布沙漠22、23、24 , 內蓋夫沙漠25,26, 古爾班通古特沙漠27和極地沙漠28,29為進一步深入勘探荒漠微生物資源奠定了重要基礎。然而,來自環境樣本的宏基因組數據的有用性在很大程度上取決于群落的復雜性和生物量、測序技術和參考數據庫等。30、31、32 ,這可能導致遺漏某些特定分類群,例如豐度低的分類群。 培養組學將多種培養條件與16S rRNA基因擴增子測序和/或其他技術相結合,大大提高了我們對可培養微生物多樣性的理解33,34.盡管培養組學在獲得微生物純培養物方面具有很大的實用性,但它通常被認為是勞動和資源密集型方法,并且可能忽略微生物群落中重要的特定目標群體35.因此,通過系統培養組學生成全面的菌株收集仍然是一個重要且尚未解決的挑戰36. 值得注意的是,選擇性培養物富集策略以降低群落復雜性可能有助于特定環境生物群落的宏基因組研究14(例如,腸道37,38).然而,沒有研究聯合使用培養組學和富含文化的宏基因組測序來研究沙漠微生物組。鑒于現有知識,我們假設基于大規模培養方法和高分辨率分析的富含培養物的宏基因組測序能夠在很大程度上填補直接測序中土壤微生物組的缺失部分。綜合考慮,我們的主要目的是評估培養組學和宏基因組學相結合的多組學策略在荒漠土壤微生物組研究中的有效性和前景,并為探索荒漠土壤中的微生物暗物質提供新的視角。 以沙漠土壤中微生物暗物質的挖掘為例,我們提出了一種融合培養和宏基因組方法(全長16S擴增子和鳥槍測序)的綜合策略,即基于文化組學的宏基因組學(CBM)(圖)。1). 本研究結果揭示了荒漠土壤中新型細菌資源未開發潛力的未被描述的景觀,并證明了CBM在提高荒漠微生物組的分類和功能分辨率方面的巨大優勢,這將擴展對隱藏在沙漠中的微生物暗物質的認識。 通過預實驗選擇白芷的塊土和根際土壤(n = 2)(見補充圖)。10),然后將它們接種到60種不同的培養基上并在15、30和45°C下孵育,其中在360個亞組中產生6個培養物:BCL(15°C的塊土培養物),BCM(30°C的塊土培養物),BCH(45°C的塊土培養物),RCL(15°C的根際培養物),RCM(30°C的根際培養物)和RCH(45°C的根際培養物)。對兩個原始土壤樣品和16個富含培養物的樣品進行了PacBio SMRT全長360S rRNA基因測序。此外,對兩個原始土壤和七個選定的富含培養物的樣品進行了鳥槍法宏基因組測序。將每個富含培養物的樣品儲存在-25°C的甘油(80%,v / v)中,其中兩個(BM11和RM11分別在30°C下通過散裝和根際土壤在M11瓊脂上培養)用于第二輪恢復性分離。介紹
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