今天是第1626期日報。
Nature Reviews：微生物培養技術的創新進展（綜述）Nature Reviews Microbiology[IF:34.209]
① 儘管大部分微生物目前難以被常規方法分離培養，但是要研究環境、人體共生古菌、細菌的生物學、生態學和進化學功能，需要依賴微生物細胞分離和培養；② 制約微生物分離和培養的因素包括複雜且不確定的培養條件、缺乏復甦休眠微生物的手段、微生物的生存依賴於微生物間共生或接觸關係、原始環境中微生物豐度低等；③ 創新的培養方法包括基於膜擴散的培養方法、微流控培養方法和基於細胞分選的培養方法，部分技術已成功用於分離新微生物。
Innovations to culturing the uncultured microbial majority
10-22, doi: 10.1038/s41579-020-00458-8
【主編評語】雖然測序技術的開發使得微生物研究可以脫離單菌株操作，但是深入的機制研究依然需要單菌株分離和培養。本綜述總結了目前急需創新培養方法的微生物研究領域，歸納了制約現有菌株分離、鑑定、培養的因素，並介紹了近年來開發的一系列創新分離鑑定方法，對於經典微生物學、新興微生態學研究都具有借鑑意義。（@周暘）
功能基因組學結合微流控，高效挖掘微生態功能基因Microbiome[IF:11.607]
① 新開發的基於液滴微流控的功能基因組學方法，可在1小時內從少於10微克的底物中，分選相當於數千個細菌基因組大小的fosmid表達文庫；② 特殊的水-油-水雙重微液滴，使文庫分選可在流式細胞儀中進行，微液滴中fosmid載體細菌具有功能活性、可適應下遊分析；③ 利用該方法，篩選出可分解腸黏蛋白聚糖結構類似物的多種細菌代謝通路，④ 其中與炎症性腸病（IBD）有關的通路提供了菌群-宿主互作研究的新靶標，且可能涉及擬桿菌屬內基因水平轉移。
Investigating host-microbiome interactions by droplet based microfluidics
10-01, doi: 10.1186/s40168-020-00911-z
【主編評語】高效的功能基因組方法，有助於闡釋腸道微生物利用腸黏膜多糖的機制。本研究建立了一種高效的微生態功能基因組研究方法，通過建立長片段fosmid文庫、微液滴篩選大腸桿菌表達株，可利用常規流式細胞分選儀進行高通量功能基因組篩選，適用於各種基於宏基因組的功能篩選。利用該方法，本研究鑑定了細菌中與IBD相關的粘蛋白聚糖分解酶，有望從菌種特異的功能基因角度闡釋IBD患者腸道菌群特點。（@周暘）
Nature Reviews：二代生理學方法-單細胞技術在微生態研究中顯身手（綜述）Nature Reviews Microbiology[IF:34.209]
① 二代生理學研究微生物組中單細胞功能包括非侵入性採集樣本、非破壞性觀察表型、按表型分選細胞、進行下遊分析；② 採用免標記、光學顯微鏡+拉曼顯微光譜學直接檢測細胞固有特徵、天然化學成分；③ 穩定同位素探測將微生物與同位素標記反應物（底物或重水）進行孵育，靶向檢測代謝活躍細胞同化作用；④ 底物類似物探測SAP包括螢光-SAP、非經典-SAP及基於活性、親和力的蛋白分析，將微生物與天然分子的結構、功能類似合成物進行孵育、追蹤。
Next-generation physiology approaches to study microbiome function at single cell level
02-13, doi: 10.1038/s41579-020-0323-1
【主編評語】生理學研究某一細胞在特定時間、生理化學條件下的功能，不能剝離環境單純用基因組數據或代謝重建去描述。在微生物組的研究中，傳統的生理學方法多取決於目標細菌是否能分離培養。Nature Reviews Microbiology發表綜述，提出了二代生理學方法的概念並討論了單細胞技術在微生物組研究中的應用以及與下遊分析的結合。二代生理學方法具有採樣非侵入性、觀察非破壞性、以表型分析為基礎、功能研究為目標的特點。作者提出如能大力推廣二代生理學方法、進行廣泛應用，則可使微生物組研究從相關性步入更為深入的因果、功能機理性研究。（@solo）
高保真讀取單細菌轉錄情況的新方法Nature Microbiology[IF:15.54]
① 為解決原核細胞無法適用於真核單細胞轉錄組測序策略的問題，開發了不依賴 poly(A)的原核細胞單細胞RNA測序方法；② 該方法通過流式細胞分選單個或10個細菌細胞，在PCR板上直接裂解，用MATQ-seq技術獲得cDNA；③ 該方法可以準確檢測到單個沙門氏菌和銅綠假單胞菌在不同生長條件下的所有RNA類型和數百個基因的表達情況，基因所在位置遍布細菌基因組；④ 該方法有望用於研究複雜的微生態體系，闡釋宿主-共生微生物或宿主-病原互作機制。
Single-cell RNA-sequencing reports growth-condition-specific global transcriptomes of individual bacteria
10-15, doi: 10.1038/s41564-020-0774-1
【主編評語】檢測單個細胞在不同條件下的轉錄情況，有助於闡釋基因組相同的單細胞的表型、功能差異；但原核生物單細胞RNA測序一直是技術難點。Nature Microbiology近期發表了一種不依賴於轉錄片段poly(A)區域結合的細菌單細胞RNA測序方法，並在沙門氏菌和銅綠假單胞菌中驗證該方法的實用性，有助於該技術運用於複雜微生態中的單細胞轉錄情況檢測。（@周暘）
單細胞功能基因組學捕捉罕見纖維降解細菌ISME Journal[IF:9.18]
① 通過螢光標記纖維素、分選與螢光纖維素結合的細菌，獲得單個有潛在纖維降解功能的細菌；② 用該方法從熱泉中篩選出157個螢光纖維素-細菌微粒，檢測到40類細菌，許多細菌是與已知16S rRNA基因同源性低於80%的新菌株；③ 單細胞基因組測序發現Goldbacteria門的細菌具有特殊的纖維素酶，並在該門中發現了新細菌Cellulosimonas argentiregionis；④ 單細胞基因組測序發現了70個潛在纖維素分解酶，其中16種酶對木質纖維素衍生物具有催化活性。
Function-driven single-cell genomics uncovers cellulose-degrading bacteria from the rare biosphere
2019-11-21, doi: 10.1038/s41396-019-0557-y
【主編評語】從環境中篩選、鑑定出具有特定功能的細菌對於研究微生態功能具有重要意義。本研究利用底物螢光標記、流式細胞分選和單細胞基因組測序技術，從熱泉環境中分離出了多種新的纖維降解細菌和纖維素分解酶。這種基於功能篩選的微生物單細胞基因組測序技術，有望用於闡釋複雜微生態體系中的微生物功能，尤其適用於鑑別低豐度、難培養微生物。（@周暘）
Nature子刊：單細胞測序揭示胃腸道Wnt通路調控機制Nature Communications[IF:12.121]
① 利用單細胞轉錄組測序鑑別出一類胃腸道基質細胞群——周細胞樣基質細胞，其轉錄特徵在胃和腸道中具有保守性；② 該群細胞鄰近上皮細胞，高表達特絡細胞、周細胞標誌物和Wnt配體，Hh信號通路表達活躍；③ 該群細胞分泌Wnt配體、維持成體幹細胞穩態，其Hh通路激活上皮細胞中Wnt通路、促進上皮再生；④ Hh通路激活小鼠中，轉錄因子GLI2對Wnt配體的激活在胃和腸道中有機制保守性；⑤ 抑制該群細胞或基質細胞的Wnt分泌，導致胃腸道再生和發育受損。
Single cell and genetic analyses reveal conserved populations and signaling mechanisms of gastrointestinal stromal niches
01-17, doi: 10.1038/s41467-019-14058-5
【主編評語】Wnt信號通路在促進胃腸道表皮再生和發育中具有功能保守性，但是胃部Wnt配體來源缺乏定論。發表在Nature Communications上的研究通過單細胞轉錄組測序，在胃腸道中鑑別出了表達Wnt配體周細胞樣基質細胞，闡釋了Hh信號通路以及轉錄因子GLI2對這群細胞中Wnt信號通路的調控機制。該研究結果證明了胃腸道中的幹細胞具有功能冗餘性，從而保證消化道表皮細胞再生和發育。（@周暘）
腸道細菌是否與宿主共同進化？Cell Host and Microbe[IF:15.923]
① 哺乳動物與個別腸道微生物的系統發育樹具有同步性，催生了「哺乳動物-共生微生物的系統發育同步性源於物種共進化」的理論；② 但這種共進化理論缺少數據支持，未全面考慮地理隔離這一重要因素；③ 地理隔離很可能是真正造成宿主-共生微生物系統發育同步性的主導因素，因為地理隔離不僅驅動宿主的生殖隔離和物種形成，還限制腸道微生物的宿主間交流；④ 證明「系統發育同步性源於物種共進化"的前提，需要排除地理隔離因素的影響。
Co-evolution and Co-speciation of Host-Gut Bacteria Systems
07-08, doi: 10.1016/j.chom.2020.06.013
【主編評語】儘管腸道菌群顯著影響宿主健康，但是推動宿主-菌群系統進化的機制缺乏定論。Cell Host and Microbe發表的觀點文章質疑了「哺乳動物-共生微生物的系統發育同步性源於物種共進化」的理論，強調了地理隔離對哺乳動物、共生微生物進化的重要影響。地理隔離並不是物種形成的必要條件，只有排除這一影響因素，才有可能證明宿主-菌群系統發育同步性與物種共進化的關係。（@周暘）
Science：微生物實驗進化揭示其與宿主的基因型選擇和更優共生Science[IF:41.845]
① 根瘤菌與宿主基因型之間的匹配很大程度上決定了實驗性細菌賦予宿主益處的差異；② 共生體質量和適合度中的Beta值呈強正相關性，意味著增加微生物適應性的基因組變體也增加了對植物的益處；③ 衍生的細菌為宿主提供了更大的利益，通常在與它們共享進化史的宿主基因型上獲得了更高的適應度，這些基因組變異對本地宿主具有合作效應；④ 與夥伴選擇相比，局部適應是塑造微生物合作更重要的進化力量。
Experimental evolution makes microbes more cooperative with their local host genotype
10-23, doi: 10.1126/science.abb7222
【主編評語】許多豆科植物與固氮菌或根瘤菌有一種宿主-共生關係，這對植物和微生物都有好處。近日，加拿大多倫多大學Megan E. Frederickson及其研究組發現，實驗進化使微生物與其本地宿主基因型更加協作。相關論文於2020年10月23日在Science發表。通過長達一年的進化實驗和研究固氮細菌（根瘤菌）如何適應豆類的交叉接種實驗，研究人員測試了宿主是否選擇了更具合作性的微生物菌株。研究人員將苜蓿中華根瘤菌（Ensifer meliloti）與五種蒺藜苜蓿（Medicago truncatula）基因型之一配對，這些基因型在「選擇」細菌共生體的強度上有所不同。不受宿主選擇的影響，苜蓿中華根瘤菌迅速適應其本地宿主基因型，並且當衍生微生物與宿主共享進化史時，它們會更有益。這種本地適應主要限於共生質粒，並且與信號基因突變相關。因此，合作取決於同伴基因型之間的匹配，並隨著細菌適應其本地宿主而增加。研究人員介紹，微生物組科學的進步需要更好地了解有益微生物如何適應宿主。（@劉永鑫-中科院-宏基因組）
Nature Reviews：一文讀懂植物-微生物組互作（綜述）Nature Reviews Microbiology[IF:34.209]
① 植物微生物組在宿主生長、養分吸收、脅迫耐受性和對病原體的抵抗力中起重要作用；② 本文首先介紹了植物微生物組領域相關20餘個基本名詞和3大類研究，包括宿主與環境因子、合成菌群和植物與微生物組互作；③ 然後描述了植物界細菌、古菌和真菌的核心微生物組；④ 討論了微生物群落組裝的機制，包括定植、代謝物、免疫逃逸和微生物互作等；⑤ 最後總結微生物組在植物營養獲取、抗病和抗逆中最近的研究成果，並指明未來研究方向的。
Plant–microbiome interactions: from community assembly to plant health
08-12, doi: 10.1038/s41579-020-0412-1
【主編評語】本文作者在群落水平總結了植物微生物組的最新進展，探索了植物微生物組研究如何揭示植物、相關微生物群落和環境之間遺傳、生化、物理和代謝相互作用的複雜網絡。特別是，通過借鑑前瞻性遺傳方法和比較基因組以及大型植物基因組和宏基因組數據集的計算分析，討論了對植物相關微生物群落的組成，組裝和動力學及其提供的宿主功能的當前理解，以及突出知識漏洞和未來方向。（@劉永鑫-中科院-宏基因組）
感謝本期日報的創作者：周暘，Unbroken，orchid，愛的抉擇，劉永鑫-中科院-宏基因組
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