中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院鄭浩團(tuán)隊(duì)在開(kāi)發(fā)微流控單細(xì)胞培養(yǎng)組學(xué)技術(shù)揭示腸道菌群功能進(jìn)化機(jī)制

　　近日，食品學(xué)院鄭浩課題組（www.zhenghaolab.org）在生物學(xué)領(lǐng)域頂級(jí)期刊《微生物組》（Microbiome）發(fā)表題為“Strain-level profiling with picodroplet microfluidic cultivation reveals host-specific adaption of honeybee gut symbionts”的最新研究成果。該研究開(kāi)發(fā)了液滴微流控平臺(tái)，對(duì)蜜蜂腸道單個(gè)細(xì)菌進(jìn)行皮升級(jí)液滴培養(yǎng)和鳥(niǎo)槍法宏基因組測(cè)序。宏基因組分析展示了蜜蜂腸道微生物的菌株水平多樣性，揭示了不同細(xì)菌屬中潛在新菌株的存在。比較基因組結(jié)果表明來(lái)自西方蜜蜂的乳桿菌含有一組與多糖代謝相關(guān)的獨(dú)特基因，與宿主特異性定植密切相關(guān)。

 

　　共生腸道微生物具有豐富的基因組和代謝池，與宿主的健康密切相關(guān)。近年來(lái)，基于標(biāo)記基因擴(kuò)增和鳥(niǎo)槍法宏基因組的研究擴(kuò)大了人們對(duì)復(fù)雜腸道微生物群落多樣性的理解，但由于測(cè)序深度等限制，傳統(tǒng)測(cè)序分析往往會(huì)掩蓋來(lái)自同一物種菌株之間廣泛存在的基因組和表型多樣性，因此培養(yǎng)對(duì)于腸道微生物組的研究至關(guān)重要。基于液滴的微流體技術(shù)（Microfluidics）以低雷諾數(shù)和層流狀態(tài)操縱不混溶相中的離散體積的流體，可以通過(guò)在直徑為數(shù)十至數(shù)百微米的、由不混溶的油和表面活性劑分隔的液滴中隔離微生物來(lái)消除群落培養(yǎng)中過(guò)度生長(zhǎng)的快速增長(zhǎng)種群的影響；同時(shí)由于液滴不受微細(xì)物理孔或通道的限制，可以在短時(shí)間內(nèi)創(chuàng)建數(shù)百萬(wàn)個(gè)獨(dú)立的培養(yǎng)系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)高通量的微生物平行培養(yǎng)，這極大克服了傳統(tǒng)培養(yǎng)方式的缺陷。

 

　　蜜蜂是自然和農(nóng)業(yè)中植物的重要傳粉者，腸道微生物群會(huì)影響蜜蜂的營(yíng)養(yǎng)、體重增加、內(nèi)分泌信號(hào)、免疫功能和病原體抵抗力，對(duì)宿主健康具有重要意義，需要對(duì)不同腸道微生物成員的作用進(jìn)行更多研究。更重要的是，雖然蜜蜂腸道被有限數(shù)量的細(xì)菌系統(tǒng)型定植，但仍然存在顯著的菌株水平多樣性，個(gè)別菌株具有獨(dú)特的基因組潛力和關(guān)鍵能力，為菌株水平分析提供了良好的模型。

 

　　在該研究中，研究人員建立了一個(gè)成熟的液滴微流控平臺(tái)，產(chǎn)生了約6×108個(gè)單細(xì)菌液滴，通過(guò)對(duì)培養(yǎng)物的宏基因組分析得到了蜜蜂腸道的大量基因組草圖，并進(jìn)行了功能預(yù)測(cè)和基因組比較，對(duì)雙歧桿菌屬的分析揭示了潛在分類單元的存在，這些菌株在跨膜運(yùn)輸、肌醇利用以及多糖利用方面存在豐富的多樣性。特別地，研究者們得到了來(lái)自蜂糧乳桿菌（Lactobacillus panisapium）的新菌株，該菌種在以往的研究中被認(rèn)為特異性來(lái)源于中華蜜蜂。通過(guò)進(jìn)一步的基因組比較，發(fā)現(xiàn)來(lái)自西方蜜蜂的菌株中獨(dú)特地含有一組與飲食阿拉伯糖利用相關(guān)的代謝基因簇，包括araf43A, rafB, abfA和abfB，這可能與其對(duì)不同蜜蜂宿主的特異性適應(yīng)密切相關(guān)。

 

　　該研究證明了基于液滴的單細(xì)菌培養(yǎng)在蜜蜂腸道微生物多樣性研究方面的適用性，同時(shí)為液滴微流體技術(shù)在更復(fù)雜的環(huán)境微生物群落大規(guī)模研究中的應(yīng)用鋪平了道路。中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院碩士生孟宇杰為論文第一作者，清華大學(xué)化學(xué)工程系張翀副教授為共同通訊作者。該研究獲得了中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)人才培育發(fā)展支持計(jì)劃、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃青年項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目的資助。