微生物是地球上生物量最大、生活范圍最廣、生物多樣性最為豐富的類群，是人類賴以生存和發展的重要物質基礎和生物技術創新的重要源泉。據保守估計，地球上存在的原核生物物種在數百萬種以上。然而由于研究手段的限制以及對物種認知的缺乏，許多微生物類群還不能分離培養，也使得以物種純培養為基礎的原核微生物多樣性及下游應用研究面臨著前所未有的挑戰。如何分離、培養并有效描述未知的90%以上的絕大多數微生物，是微生物學研究一直以來亟需解決的挑戰性課題。
近日，我校生命科學學院李文均教授課題組在國際知名學術期刊npj Biofilms and Microbiomes（IF：6.333，中科院生物學一區，微生物學一區）上發表題為“ Network-directed efficient isolation of previously uncultivated Chloroflexi and related bacteria in hot spring microbial mats”的學術論文。論文作者突破傳統培養模式，通過高通量測序及共現網絡分析預測熱泉菌席微生物的互作模式的思路，實現了綠彎菌的定向分離（圖1）。通過對潛在互作的微生物驗證，確定了一株具有廣泛促生活性的菌株Tepidimonas sp. SYSU G00190W；基于此，團隊建立了基于物種互作的“SCM-定向分離”策略，成功分離到大量之前難以培養的微生物類群；最后作者還對其基因組和代謝組做了進一步機理解析和實驗驗證。
圖1. 熱泉中綠彎菌的定向分離
熱泉廣泛分布于全球，是研究微生物生態學的模式生態系統之一。菌席生境代表了熱泉生態系統中最復雜的微生物群落，其中的微生物存在廣泛的相互作用。本研究首先基于26份典型的熱泉菌席樣品構建了共現網絡，確定了潛在促生類群，后基于高效促生菌實現了以綠彎菌門為代表的大量難培養類群的分離培養。結合基因組學及胞外代謝組學發現，綠彎菌與溫單胞菌存在活躍的互養行為，溫單胞菌可以將復雜底物轉化為綠彎菌等難培養微生物生長必須的小分子底物（圖2）。兩者之間的互利協作模式保證了彼此生命活動的高效進行。
圖2. Tepidimonas 菌株分泌的胞外代謝產物可以促進未培養微生物的生長
本研究首次應用網絡預測的方法實現了熱泉菌席生境中未培養綠彎菌的定向培養。基于兩株代表性菌株的互作研究，初步闡明了熱泉菌席中綠彎菌（自養微生物，優勢類群）和溫單胞菌（異養微生物，稀有類群）之間的互作關系，并為理解貧營養生境中優勢類群與稀有類群的相互作用奠定了一定的基礎，提出的分離策略為其它環境中難培養微生物的可培養化提供了思路。
我校生命科學學院博士生鮮文東及特聘副研究員Salam Nimaichand博士、碩士生李蒙蒙為共同第一作者，李文均教授為唯一通訊作者。中國地質大學（武漢）生物地質與環境地質國家重點實驗室的蔣宏忱教授、吳耿博士參與了部分工作。該研究得到了國家自然科學基金委水圈微生物驅動地球元素循環的機制重大研究計劃重點項目（91951205，91751206），相關面上項目（31370154，31600298，31850410475），以及廣東省重點領域研發計劃“現代種業”重大專項 (2018B020206001)的資助。
