中大新聞網(wǎng)訊（通訊員李帥）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(shí)也是地球微生物多樣性的重要寶庫(kù)。對(duì)荒漠生態(tài)系統(tǒng)的微生物多樣性、組成和功能進(jìn)行剖析，將有助于了解旱地生命帶來(lái)的全球變化、威脅與機(jī)遇。作為荒漠生境的一種典型代表類型，沙漠棲息地中許多不同的微生物可產(chǎn)生一系列新的生物活性化合物，包括抗菌、消炎、抗腫瘤及群體感應(yīng)抑制等諸多方面。然而，由于生態(tài)位特化性強(qiáng)、樣品采集困難以及傳統(tǒng)培養(yǎng)方法適應(yīng)性有限等因素，絕大多數(shù)沙漠微生物被忽視了在實(shí)驗(yàn)室條件下的培養(yǎng)與分類鑒定。這一大部分尚未得到充分探索的微生物多樣性，代表了巨大的未開(kāi)發(fā)、未表征的微生物資源，俗稱“微生物暗物質(zhì)”，其從根本上阻礙了微生物生態(tài)學(xué)的發(fā)展和生物資源的開(kāi)發(fā)利用。
盡管基于直接宏基因組學(xué)測(cè)序（如16S rRNA擴(kuò)增子、鳥槍法測(cè)序）或培養(yǎng)組學(xué)（Culturomics）的微生物組學(xué)研究不斷取得令人振奮的重要發(fā)現(xiàn)，但這兩種技術(shù)目前仍存在諸多局限性。例如，直接宏基因組測(cè)序數(shù)據(jù)的實(shí)用性與群落的復(fù)雜度和生物量、測(cè)序技術(shù)和參考數(shù)據(jù)庫(kù)等高度相關(guān)，這些均可能會(huì)導(dǎo)致群落中大量低豐度細(xì)菌類群或一些特定類群被忽略；而培養(yǎng)組學(xué)通常被認(rèn)為是勞動(dòng)密集型的，其可能會(huì)遺漏群落中的一些重要特定類群，且難以獲取全面的菌株數(shù)據(jù)集信息。有研究表明，選擇性培養(yǎng)富集以降低群落復(fù)雜性的策略可能有助于特定環(huán)境中微生物群落的宏基因組學(xué)研究。然而，在此之前，尚未有結(jié)合培養(yǎng)組學(xué)和培養(yǎng)富集宏基因組測(cè)序兩種方法對(duì)沙漠微生物組進(jìn)行挖掘的研究報(bào)道。
圖1. 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)示意圖
以挖掘沙漠土壤微生物暗物質(zhì)為例，中山大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院李文均教授團(tuán)隊(duì)提出了一種融合了培養(yǎng)組學(xué)和宏基因組學(xué)方法（全長(zhǎng)16S rRNA擴(kuò)增子和鳥槍法測(cè)序）的多組學(xué)研究策略（圖1），即基于培養(yǎng)組的宏基因組學(xué)（CBM）。研究結(jié)果表明，將高分辨率的CBM方法與直接宏基因組測(cè)序相結(jié)合，能夠深入剖析和挖掘沙漠土壤中的微生物暗物質(zhì)資源。作為一種整合的多組學(xué)研究策略，CBM能夠通過(guò)提高ASVs和高/中質(zhì)量MAGs的恢復(fù)率，極大提高沙漠土壤微生物組的分類和功能分辨率（圖2和3），并且重要的是它能在宏基因組測(cè)序結(jié)果的指導(dǎo)下對(duì)感興趣的微生物進(jìn)行恢復(fù)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(kāi)發(fā)的細(xì)菌新資源的巨大潛力（圖4）。此外，多重條件組合下的培養(yǎng)組學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果為分離沙漠土壤中某些特殊或新的細(xì)菌類群也提供了重要參考。有了這些數(shù)據(jù)，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(huán)境適應(yīng)機(jī)制以及物種基因庫(kù)。基于培養(yǎng)組的宏基因組學(xué)，為深入認(rèn)識(shí)和挖掘微生物組樣本中的暗物質(zhì)資源提供了一個(gè)新的視角，尤其是那些來(lái)自于極端或特殊生境的樣本。
圖2. 148個(gè)高質(zhì)量或中質(zhì)量MAGs的系統(tǒng)發(fā)育樹及概況
圖3. 原始土壤及其相關(guān)培養(yǎng)物的細(xì)菌多樣性及組成
圖4. 潛在新分類群概況
近日，該成果以“Capturing the microbial dark matter in desert soils using culturomics-based metagenomics and high-resolution analysis”為題發(fā)表在國(guó)際生物學(xué)期刊npj Biofilms and Microbiomes上，中山大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院為第一署名單位。中山大學(xué)李文均教授、董雷副研究員為該論文的共同通訊作者，中山大學(xué)—嘉應(yīng)學(xué)院聯(lián)合基地博士后李帥為該論文第一作者。本課題研究得到第三次新疆科學(xué)考察計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金和廣東省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃的支持。
