3月17日，中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院合成微生物組學(xué)研究中心、深圳合成生物學(xué)創(chuàng)新研究院戴磊課題組在Nature Communications上發(fā)表了基于成像的空間微生物組最新研究成果，題為"Spatial profiling of microbial communities by sequential FISH with error-robust encoding"。該團(tuán)隊(duì)發(fā)展了一種可容錯(cuò)編碼的序貫熒光原位雜交（SEER-FISH）技術(shù)，用于解析復(fù)雜微生物群落的空間結(jié)構(gòu)。該方法可識(shí)別復(fù)雜群落中的不同微生物物種，在單細(xì)胞尺度上原位解析微生物物種之間以及微生物-宿主之間的相互作用，是研究微生物群落的生態(tài)和功能的重要工具。團(tuán)隊(duì)成員博士生曹朝輝和左文龍博士為共同第一作者，戴磊研究員為文章通訊作者。

文章上線截圖 

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　　自然界中的微生物群落有著豐富的物種多樣性，各種微生物獨(dú)特的生存方式和相互作用關(guān)系構(gòu)成了群落特定的空間結(jié)構(gòu)。盡管現(xiàn)有的高通量測(cè)序技術(shù)能夠描繪微生物群落的物種組成及豐度，仍缺乏解析群落空間結(jié)構(gòu)的有力工具。由于傳統(tǒng)熒光顯微成像技術(shù)可分辨的物種數(shù)量受限于熒光基團(tuán)的顏色種類，繪制高物種分辨率的復(fù)雜微生物群落的空間結(jié)構(gòu)仍有重大挑戰(zhàn)。基于此，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)展了新的SEER-FISH成像技術(shù)并將其用于復(fù)雜微生物群落，在微米尺度上繪制了擬南芥根系定植的微生物群落的空間分布，觀測(cè)到不同物種在根表上的空間異質(zhì)性定植，以及在受到宿主代謝物擾動(dòng)后的空間分布變化和物種空間關(guān)聯(lián)改變。SEER-FISH技術(shù)可以精準(zhǔn)解析復(fù)雜微生物群落的空間結(jié)構(gòu)，對(duì)于研究植物根際、人體腸道等宿主共生微生物組的生態(tài)規(guī)律和生理功能提供了有力工具。   

　　SEER-FISH通過(guò)序貫熒光原位雜交的方式實(shí)現(xiàn)微生物群落空間結(jié)構(gòu)的解析。其工作原理是為每種微生物分配特定的多色編碼，每輪使用帶有相應(yīng)顏色熒光基團(tuán)的寡核苷酸探針來(lái)標(biāo)記對(duì)應(yīng)的微生物，再通過(guò)多輪熒光原位雜交成像獲取每個(gè)細(xì)胞的多色編碼，從而確定其對(duì)應(yīng)的物種（圖1a-c）。科研團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步對(duì)編碼進(jìn)行優(yōu)化，使用不同漢明距離（HD, hamming distance）的糾錯(cuò)編碼可以提高物種準(zhǔn)確識(shí)別率，并且具有高度的可擴(kuò)展性（圖1d）。 　  

　　研究團(tuán)隊(duì)首先在不同微生物群落的體外成像實(shí)驗(yàn)中對(duì)SEER-FISH技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)評(píng)估。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法對(duì)群落組成識(shí)別的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性，能夠準(zhǔn)確量化群落物種組成的變化（圖2a-c），使用不同的編碼方案所得到的群落組成高度一致（圖2d-f）。   

　　植物根際定植著高度多樣的微生物群落，它們受到植物宿主的調(diào)控又影響著植物的生理健康。然而我們對(duì)于根際微生物群落的空間結(jié)構(gòu)卻鮮有認(rèn)知。研究團(tuán)隊(duì)將SEER-FISH應(yīng)用于根表微生物的空間成像，勾勒了不同生理分區(qū)分布定植的微生物群落組成 （圖3a-c）。研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，定植在根表的微生物群落并非隨機(jī)分布，而是傾向于形成聚集體。這些微生物聚集體的尺度在幾十到幾百微米，并且存在多個(gè)物種（圖3d-f）。微生物聚集體的形成的具體原因有多種假說(shuō)，包括偏好性定植、提高在根際環(huán)境下的適應(yīng)性等。此外，通過(guò)對(duì)群落中的微生物進(jìn)行鄰近關(guān)系分析，發(fā)現(xiàn)了顯著的菌-菌空間關(guān)聯(lián)（圖3g）。 　  

　　通過(guò)外源添加擬南芥根際分泌的代謝產(chǎn)物植保素（camalexin）和香豆素（fraxetin），研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)根際微生物的組成和空間分布都發(fā)生了顯著的變化（圖4a-c）。比如，中華根瘤菌主要定植于靠近根尖的位置，而這種偏好性的定植在加入植保素和香豆素后發(fā)生了改變（圖4d）。農(nóng)桿菌本身在根上的定植沒(méi)有偏好性，但在受到香豆素?cái)_動(dòng)后表現(xiàn)出更多的定植于根成熟區(qū)（圖4e）。根際微生物空間分布的高度異質(zhì)性和物種之間的差異，與環(huán)境異質(zhì)性、微生物本身的特性都有關(guān)。進(jìn)一步對(duì)定植微生物的空間關(guān)聯(lián)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)植保素和香豆素都不同程度地影響改變了物種之間的空間關(guān)聯(lián)（圖4f）。微米尺度下的空間關(guān)聯(lián)暗示了微生物群落中不同物種之間廣泛存在的短程相互作用 (如營(yíng)養(yǎng)競(jìng)爭(zhēng)與互養(yǎng)、接觸抑制、群體感應(yīng)等)，對(duì)于進(jìn)一步的機(jī)制研究有重要的指導(dǎo)意義。  

　　該工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（No.2019YFA0906700）、國(guó)家自然科學(xué)基金（No.31971513, No.32061143023, No.32100072）、廣東省自然科學(xué)基金（No. 2022A1515011513）及深圳合成生物創(chuàng)新研究院的資助。

SEER-FISH拍攝的植物根際微生物組 

圖1  SEER-FISH多輪成像的工作原理 

圖2  SEER-FISH可以精準(zhǔn)解析復(fù)雜微生物群落的組成 

圖3 在單細(xì)胞水平上解析定植于擬南芥根表的微生物群落 

圖4 解析擬南芥根際分泌的代謝產(chǎn)物對(duì)微生物組空間分布的影響