作者:戴磊等 来源:《自然—通讯》 发布时间:2023/3/21 11:06:18
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科学家开发出高通量空间成像技术

 

微生物群落存在于土壤、水体、大气、动植物体内等多种生态系统中,对生态系统的稳定性和功能维持起着至关重要的作用,例如,有助于维持土壤肥力和水体中营养物质的循环等。

微生物群落的重要性目前已得到广泛认可,但科学家们关于微生物群落中微生物物种之间的相互关系、数量比例以及空间分布情况等情况的认识还比较匮乏。

在不同宿主环境中,比如:植物的根际和叶面、人体的肠道和口腔,其中定植的微生物群落都会形成特定的空间结构。由于测序技术的局限性,科研团队目前对于微生物群落在空间维度上的表征和理解仍然十分有限。

3月17日,一项发表于《自然—通讯》的最新研究表明,科研团队成功开发可容错编码的序贯荧光原位杂交(SEER-FISH)技术,该方法可识别复杂群落中的不同微生物物种,在单细胞尺度上原位解析微生物物种之间以及微生物-宿主之间的相互作用,进而研究其生态规律和生理功能,是研究微生物群落的生态和功能的重要工具。

团队在微米尺度上绘制了拟南芥根系定植的多细菌物种的生物地理分布,观测到不同微生物物种在根系上的空间异质性定植,以及在受到宿主代谢物扰动后微生物的空间分布变化和物种空间关联改变。

这项研究由中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所戴磊课题组完成,深圳先进院合成所研究员戴磊为该文章的通讯作者,课题组博士曹朝辉和左文龙为共同第一作者。深圳先进院为该论文第一单位。

突破传统微生物群落成像限制

在植物的根部有着密密麻麻的微生物群落,这些微生物和植物的生长息息相关,形成了一个复杂而精彩的生态系统。尽管在目前的认知中,荧光原位杂交技术可以被用于微生物的可视化,但传统的成像方法受到荧光基团光谱重叠的限制,能同时表征的物种丰富度也是非常有限。因此,科研团队需要发展新的微生物成像技术,以更好地表征和解析微生物群落的空间结构。

戴磊团队开发的一项新的微生物成像技术——SEER-FISH,有望解决传统荧光成像技术在研究微生物群落空间结构时存在的限制。

SEER-FISH拍摄的植物根际微生物组 来源:科研团队供图

该技术使用多轮的rRNA探针杂交解离,可实现对数千种微生物的同时成像和区分。此前,由于荧光基团光谱重叠的限制,传统成像方法只能同时表征极其有限的微生物物种丰富度,使得微生物群落空间结构的研究受到了限制。

SEER-FISH技术拓展了荧光分子的种类与杂交成像轮数之间的指数组合,从而实现对微生物群的全部物种的同时成像。在体外合成微生物群落中的实验验证表明,该成像方法对群落组成识别具有准确性和可重复性。这一成果为进一步研究微生物群落的结构和生态系统提供了新的可能性。

“空间转录组成像技术MERFISH和SeqFISH已经被成功应用于真核生物的成像中,通过组合标记和连续成像,可以实现对单细胞中数千种mRNA的鉴定。”戴磊研究员说道。

考虑到此技术的成功应用,研究人员提出将该思路用于复杂微生物群落的成像标记,以避开现有荧光分子种类的限制,从而实现对微生物群落中所有物种的同时成像。

在实验验证中,多轮成像的rRNA探针杂交解离可至26轮后仍有明亮的荧光信号,允许对数千种不同的微生物进行成像和区分。此外,在体外合成微生物群落中,科研团队使用可纠错的编码方案验证了该成像方法对群落组成识别的准确性和可重复性。研究人员表示,该技术有望为微生物群落的空间结构表征和解析提供更加精确和全面的方法,为生态学、环境保护和农业生产等领域提供更多科学依据。

完成微生物群落精准成像

与真核生物不同,微生物的鉴定是通过核糖体rRNA的标记来实现的。由于亲缘关系相近的微生物物种,其核糖体序列相似度较高,因此针对每种不同微生物设计出高度特异性探针的困难也随之加大。非特异性杂交会出现物种难以鉴定和假阳性的问题,当同时标记的微生物种类大大增加时,非特异性杂交的影响会导致很多微生物的误判。

为了解决相关问题,科研团队在过去三年的时间里对微生物群物种的标记方式和编码方法进行了优化和改进,以提高物种的准确识别率,并对微生物群落进行准确的成像,从而更好地理解微生物群落的组装、微生物间和微生物-宿主相互作用及功能。

“该成果是一项重大的科研工作,相信它对该领域有着重要的支撑及贡献。”期刊审稿人给予了该研究高度评价。

此外,发展SEER-FISH成像技术与其他空间解析技术的结合,将进一步拓展空间微生物组学的研究。例如与扩展显微镜相结合分析单个细菌细胞的空间转录组;与质谱成像或多重蛋白质图谱一起,在分子水平上揭示复杂微生物群落在空间上的功能及其与宿主的相互作用。

该成像技术可以广泛应用于表征复杂微生物群落中的物种空间异质性,并实现单细胞分辨率下各微生物物种在微米尺度上的空间分析,为空间微生物组的结构表征提供了有力工具,对微生物群落的研究具有重要意义。

“不仅限于对空间组成结构的描绘,未来我们还希望进一步将成像标记的分子扩展到mRNA,从而真正地将微生物群的结构-功能联系在一起。”戴磊说道。(来源:中国科学报 刁雯蕙)

相关论文信息:https://doi.org/10.1038/s41467-023-37188-3

 
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