单细胞技术在微生物组研究中的应用
转载 发布时间:2022-09-20 浏览次数: 42 来源: 微生态研究公众号

核心提示:菌株分辨率的高通量、单微生物基因组学,应用于人类肠道微生物组,开发具有菌株分辨率的微生物高通量单细胞测序方法Microbe-seq,该方法结合了基于液滴的微流控技术和专有的生信分析流程,能从复杂菌群中获得单个细菌的基因组信息。


  1、Science:液滴微流控+高通量测序

  Science:菌株分辨率的高通量、单微生物基因组学,应用于人类肠道微生物组


  ①开发具有菌株分辨率的微生物高通量单细胞测序方法Microbe-seq,该方法结合了基于液滴的微流控技术和专有的生信分析流程,能从复杂菌群中获得单个细菌的基因组信息;

  ②用该方法分析人肠道菌群样本,得到21914个单细胞微生物基因组信息,组装出76个物种水平基因组(52个为高质量),发现10个物种含有多个菌株,并组装了菌株水平的基因组;

  ③用这些基因组分析了菌群多样性,构建了菌群的水平基因转移网络(发现HGT主要发生在同菌门的菌株之间),并探索了噬菌体与宿主菌的相关性(发现crAssphage只与一个普通拟杆菌菌株有明显关联)。


  参考链接:Science: 微生物单细胞、高通量、菌株分辨率,我全都要!| 深度长文

  Zheng W, Zhao S, Yin Y, et al. High-throughput, single-microbe genomics with strain resolution, applied to a human gut microbiome[J]. Science, 2022, 376(6597): eabm1483.

  2、PNAS:拉曼光谱+荧光原位杂交

  PNAS:SRS-FISH:在单细胞水平将微生物组代谢和身份联系起来的高通量平台


  ①报告一种基于成像的方法开发,称为受激拉曼散射-双光子荧光原位杂交 (SRS-FISH),用于以单细胞分辨率对微生物群落进行高通量代谢和身份分析;②SRS-FISH提供每个细胞10到100毫秒的成像速度,比目前最先进的方法快两到三个数量级;③结合重水中的氘作为活动标记,描绘人体肠道微生物组中30000个单细胞对各种黏膜糖的代谢反应;④成功应用SRS-FISH识别人类肠道微生物组中有效的黏膜糖利用者,黏膜糖代谢通常由拟杆菌门主导。


  参考链接:https://www.mr-gut.cn/papers/read/1049925513

  Ge X, Pereira F C, Mitteregger M, et al. SRS-FISH: A high-throughput platform linking microbiome metabolism to identity at the single-cell level[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2022, 119(26): e2203519119.

  3、Science:Split-pool条形码+高通量测序

  Science:利用split-pool条形码技术进行微生物单细胞RNA测序


  ①研发了microSPLiT,这是一种适用于革兰氏阴性和革兰氏阳性细菌的高通量scRNA-seq方法,可以解决异质转录问题;

  ②检测处于不同生长阶段的25,000多个枯草芽孢杆菌细胞,绘制了其代谢和生活方式变化的图谱;

  ③揭示了与已知但罕见状态(如适应性和原噬菌体诱导)相关的详细基因表达谱,并鉴定新的和未知基因表达状态,包括细胞亚群中生态位代谢途径的异质激活;

  ④为细菌群落中基因表达的高通量分析铺平道路,否则无法对细菌进行单细胞分析。


  参考链接:https://www.jianshu.com/p/fdd52d511a6e

  Kuchina A, Brettner L M, Paleologu L, et al. Microbial single-cell RNA sequencing by split-pool barcoding[J]. Science, 2021, 371(6531): eaba5257.

  4、培养组+高通量测序

  4.1 厌氧培养+高通量测序

  NBT:来自培养的人肠道细菌的1520个参考基因组,促进功能微生物组分析


  ①用培养组学分离>6000个人粪便菌株,得到1520个高质量单菌基因组草图(338个种),构成可培养基因组参考(CGR)数据集;

  ②包括人肠道的主要细菌门和属,含至少264个新参考基因组,有不少低丰度菌,丰富了现有参考基因组,提高了宏基因组学分析的分辨率(读段比对率和SNP分析等);

  ③对CGR的功能注释加深了对肠道菌功能的认知;

  ④对38种重要菌的泛基因组分析,揭示不同菌门的泛基因组开合趋势和在各自核心和非核心基因组上功能富集的差异。


  参考链接:NBT:人类肠道培养细菌的1520个基因组

  Zou Y, Xue W, Luo G, et al. 1,520 reference genomes from cultivated human gut bacteria enable functional microbiome analyses[J]. Nature biotechnology, 2019, 37(2): 179-185.

  4.2 高通量培养+高通量测序

  Nature Protocols:植物根系菌群的细菌高通量培养和鉴定


  ①亚洲栽培稻主要分为籼稻和粳稻两个亚种,籼稻通常表现出更高的氮肥利用效率;

  ②籼稻和粳稻形成了截然不同的根系微生物组,可以作为区分籼粳稻的生物标志;

  ③籼稻根系比粳稻富集更多与氮循环相关的微生物种类,具有更加活跃的氮转化环境;

  ④水稻通过NRT1.1B调控根系具有氮转化能力的微生物,改变根际微环境,影响籼梗稻田间氮肥利用效率;

  ⑤通过高通量微生物分离培养,获得了水稻根系70%的细菌种类,建立了首个系统性水稻根系细菌资源库。


  参考链接:NBT封面:水稻NRT1.1B基因调控根系微生物组参与氮利用

  Zhang J, Liu Y X, Zhang N, et al. NRT1. 1B is associated with root microbiota composition and nitrogen use in field-grown rice[J]. Nature biotechnology, 2019, 37(6): 676-684.【高通量培养组Protocol原文】Zhang J, Liu Y X, Guo X, et al. High-throughput cultivation and identification of bacteria from the plant root microbiota[J]. Nature Protocols, 2021, 16(2): 988-1012.

  5、其它技术

  5.1 NRM:二代生理学方法在单细胞水平研究微生物组功能


  ①二代生理学研究微生物组中单细胞功能包括非侵入性采集样本、非破坏性观察表型、按表型分选细胞、进行下游分析;

  ②采用免标记、光学显微镜+拉曼显微光谱学直接检测细胞固有特征、天然化学成分;

  ③稳定同位素探测将微生物与同位素标记反应物(底物或重水)进行孵育,靶向检测代谢活跃细胞同化作用;

  ④底物类似物探测SAP包括荧光-SAP、非经典-SAP及基于活性、亲和力的蛋白分析,将微生物与天然分子的结构、功能类似合成物进行孵育、追踪。

  参考链接:Nature综述新一代微生物学研究方法,单细胞水平生物技术“显身手”

  Hatzenpichler R, Krukenberg V, Spietz R L, et al. Next-generation physiology approaches to study microbiome function at single cell level[J]. Nature Reviews Microbiology, 2020, 18(4): 241-256.

  5.2 Cell:人类微生物组研究中的单细胞方法


  ①用于分离、培养和分析复杂群落中单个微生物的基因组和转录组的单细胞技术,是人类微生物组研究的前沿技术,主要包括液滴微流控方法和基于微阵列(微孔板)的方法;

  ②单细胞基因组学分析不仅扩展了微生物生命树,还加深了对人类微生物组的生态和演化的认知;

  ③单细胞转录组学可揭示微生物的功能异质性,包括基于组合条形码的方法(PETRI-seq和Micro-SLit)、基于荧光原位杂交的空间转录组学(Parseq-FISH)和宿主-微生物双重转录组学技术;

  ④现有的宿主scRNA-seq数据是挖掘隐藏微生物RNA信息的宝库。

  参考链接:https://blog.csdn.net/woodcorpse/article/details/126026166Lloréns-Rico V, Simcock J A, Huys G R B, et al. Single-cell approaches in human microbiome research[J]. Cell, 2022, 185(15): 2725-2738.

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