2024年6月12日，我院孫會增課題組與良渚實(shí)驗(yàn)室王永成課題組聯(lián)合在Nature Microbiology上在線發(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(xì)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群。這一研究不僅深化了對瘤胃微生物組的理解，也為未來微生物學(xué)研究提供了新的方法和視角。
瘤胃微生物群是反芻動物（如牛、羊等）消化系統(tǒng)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(zhuǎn)化為可吸收的營養(yǎng)成分，為機(jī)體提供70% ~ 80%的能量來源。解碼菌群中單菌的活性功能是揭示復(fù)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(dá)制約了個體活性功能的表征，導(dǎo)致瘤胃微生物組中有什么活性功能類群，這些功能類群的物種組成及功能特征如何等尚未可知。為了填補(bǔ)這個空白，研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種全新的研究方法——微生物組單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組學(xué)技術(shù)（Microbiome single-cell Transcriptomics, MscT），即構(gòu)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(shù)據(jù)集，利用基于隨機(jī)引物和微流控的微生物單細(xì)胞RNA-Seq技術(shù)測定瘤胃內(nèi)容物中微生物單個細(xì)胞的基因表達(dá)情況，通過基準(zhǔn)測試多物種（多基因組）單細(xì)胞降維聚類算法進(jìn)行活性功能類群鑒定和代謝機(jī)制解析。該方法不僅適合于動物乃至人類消化道，還適用于其他缺少參考基因集的復(fù)雜環(huán)境微生物組中單菌活性功能的研究，為微生物組研究開拓了新的方向。
基于該方法，研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了一個涵蓋17,4531個微生物細(xì)胞和2,534個物種的瘤胃微生物單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組圖譜，揭示了瘤胃微生物在單細(xì)胞水平上的功能分工；共鑒定出12個活性功能類群（圖1），每個類群由表達(dá)特定代表性功能基因的細(xì)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）代謝過程中發(fā)揮了重要作用，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步在碳水化合物代謝通路中探究了關(guān)鍵活性功能類群的代謝特征。研究發(fā)現(xiàn)，HSP90+ HMACs功能類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高于其它類群，在將復(fù)雜碳水化合物轉(zhuǎn)化為簡單糖類（如葡萄糖）的過程中起到關(guān)鍵作用。以往研究認(rèn)為果膠生成丙酸途徑是飼喂非常規(guī)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(xiàn)在降解果膠生成丙酸的4個連續(xù)過程中，Integrase+ HMACs功能亞類群代謝丙酮酸生成琥珀酸的活性最高，而其它3個過程中活性功能較低。同時，在該亞類群中Basfia succiniciproducens作為代謝活性最高的物種，其細(xì)胞在這4個連續(xù)過程中顯示出一致的代謝功能變化趨勢。在此基礎(chǔ)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(xì)胞的“丙酮酸到乙酰輔酶A”代謝活性顯著較高，而代謝狀態(tài)2細(xì)胞的“丙酮酸到琥珀酸”代謝活性顯著較高。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(jié)果提示，基于基因表達(dá)的微生物細(xì)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群
該研究利用MscT技術(shù)，通過基于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(tǒng)原位活性功能類群，表征了B. succiniciproducens等核心微生物物種細(xì)胞在碳水化合物代謝過程中的重要功能和關(guān)鍵動態(tài)特征。這項(xiàng)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，在通過瘤胃微生物組調(diào)控反芻動物生產(chǎn)和健康，解決全球生態(tài)動態(tài)、酶資源探索和生物燃料大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)等方面也具有廣泛的應(yīng)用前景。
浙江大學(xué)動物科學(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(xiàn)為湘湖實(shí)驗(yàn)室研究員）為本文的共同第一作者，孫會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(xiàng)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(jì)劃青年科學(xué)家項(xiàng)目、國際合作項(xiàng)目，浙江省杰出青年科學(xué)基金項(xiàng)目、領(lǐng)軍型創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目等資助。
