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動(dòng)科院孫會(huì )增課題組在Nature Microbiology上發(fā)文揭示奶牛瘤胃微生物活性功能類(lèi)群

發(fā)布時(shí)間:2024-06-12來(lái)源:動(dòng)物科學(xué)學(xué)院中文網(wǎng)作者:194

2024年6月12日,我院孫會(huì )增課題組與良渚實(shí)驗室王永成課題組聯(lián)合在Nature Microbiology上在線(xiàn)發(fā)表了題為“Single-cell transcriptomics across 2,534 microbial species reveals functional heterogeneity in the rumen microbiome”的文章,利用單細胞RNA測序技術(shù)和微生物泛基因組分析,成功揭示了奶牛瘤胃微生物的原位活性功能類(lèi)群。這一研究不僅深化了對瘤胃微生物組的理解,也為未來(lái)微生物學(xué)研究提供了新的方法和視角。

瘤胃微生物群是反芻動(dòng)物(如牛、羊等)消化系統中至關(guān)重要的組成部分,能將植物纖維和其他難以消化的物質(zhì)轉化為可吸收的營(yíng)養成分,為機體提供70% ~ 80%的能量來(lái)源。解碼菌群中單菌的活性功能是揭示復雜微生組真實(shí)作用的關(guān)鍵,然而,瘤胃微生物功能冗余和基因選擇性表達制約了個(gè)體活性功能的表征,導致瘤胃微生物組中有什么活性功能類(lèi)群,這些功能類(lèi)群的物種組成及功能特征如何等尚未可知。為了填補這個(gè)空白,研究團隊開(kāi)發(fā)了一種全新的研究方法——微生物組單細胞轉錄組學(xué)技術(shù)(Microbiome single-cell Transcriptomics, MscT),即構建了目前最全面的牛胃腸道微生物基因組圖譜(Bovine Gastro Microbial Genome Map, BGMGM)作為參考數據集,利用基于隨機引物和微流控的微生物單細胞RNA-Seq技術(shù)測定瘤胃內容物中微生物單個(gè)細胞的基因表達情況,通過(guò)基準測試多物種(多基因組)單細胞降維聚類(lèi)算法進(jìn)行活性功能類(lèi)群鑒定和代謝機制解析。該方法不僅適合于動(dòng)物乃至人類(lèi)消化道,還適用于其他缺少參考基因集的復雜環(huán)境微生物組中單菌活性功能的研究,為微生物組研究開(kāi)拓了新的方向。

基于該方法,研究團隊構建了一個(gè)涵蓋17,4531個(gè)微生物細胞和2,534個(gè)物種的瘤胃微生物單細胞轉錄組圖譜,揭示了瘤胃微生物在單細胞水平上的功能分工;共鑒定出12個(gè)活性功能類(lèi)群(圖1),每個(gè)類(lèi)群由表達特定代表性功能基因的細胞組成。鑒于瘤胃微生物群在碳水化合物(特別是纖維素、果膠)代謝過(guò)程中發(fā)揮了重要作用,研究團隊進(jìn)一步在碳水化合物代謝通路中探究了關(guān)鍵活性功能類(lèi)群的代謝特征。研究發(fā)現,HSP90+ HMACs功能類(lèi)群在瘤胃中具有高代謝活性,其總代謝活性和碳水化合物代謝活性顯著(zhù)高于其它類(lèi)群,在將復雜碳水化合物轉化為簡(jiǎn)單糖類(lèi)(如葡萄糖)的過(guò)程中起到關(guān)鍵作用。以往研究認為果膠生成丙酸途徑是飼喂非常規飼料日糧下奶牛泌乳性能低下的限制性通路,本研究發(fā)現在降解果膠生成丙酸的4個(gè)連續過(guò)程中,Integrase+ HMACs功能亞類(lèi)群代謝丙酮酸生成琥珀酸的活性最高,而其它3個(gè)過(guò)程中活性功能較低。同時(shí),在該亞類(lèi)群中Basfia succiniciproducens作為代謝活性最高的物種,其細胞在這4個(gè)連續過(guò)程中顯示出一致的代謝功能變化趨勢。在此基礎上,深入探討了B. succiniciproducens代謝狀態(tài)變化軌跡為:“從初始狀態(tài)(Multi signal cells)到代謝狀態(tài)1(Transposase+ Formate/nitrite TCs)和代謝狀態(tài)2(Integrase+ cells)”,代謝狀態(tài)1細胞的“丙酮酸到乙酰輔酶A”代謝活性顯著(zhù)較高,而代謝狀態(tài)2細胞的“丙酮酸到琥珀酸”代謝活性顯著(zhù)較高。丙酮酸是碳水化合物代謝的關(guān)鍵中間物質(zhì),其代謝過(guò)程與瘤胃微生物氫代謝密切相關(guān),丙酮酸代謝生成琥珀酸可降低氫的生成,對瘤胃甲烷減排意義重大。以上結果提示,基于基因表達的微生物細胞狀態(tài)變化在代謝表型研究中具有巨大潛力。

 

圖1 奶牛瘤胃微生物活性功能類(lèi)群

該研究利用MscT技術(shù),通過(guò)基于BGMGM的泛基因組功能基因比對策略,揭示了瘤胃微生物生態(tài)系統原位活性功能類(lèi)群,表征了B. succiniciproducens等核心微生物物種細胞在碳水化合物代謝過(guò)程中的重要功能和關(guān)鍵動(dòng)態(tài)特征。這項研究不僅在技術(shù)上取得了重要進(jìn)展,為微生物學(xué)研究提供了重要資源,在通過(guò)瘤胃微生物組調控反芻動(dòng)物生產(chǎn)和健康,解決全球生態(tài)動(dòng)態(tài)、酶資源探索和生物燃料大規模工業(yè)生產(chǎn)等方面也具有廣泛的應用前景。

浙江大學(xué)動(dòng)物科學(xué)學(xué)院為第一完成單位,博士生賈明輝和朱森林、博士后薛茗元(現為湘湖實(shí)驗室研究員)為本文的共同第一作者,孫會(huì )增研究員和王永成研究員為本文共同通訊作者,劉建新教授和陶曄博士在本項研究中給予大力支持。該研究獲得了國家優(yōu)秀青年科學(xué)基金,國家重點(diǎn)研發(fā)計劃青年科學(xué)家項目、國際合作項目,浙江省杰出青年科學(xué)基金項目、領(lǐng)軍型創(chuàng )新團隊項目等資助。

原文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41564-024-01723-9