ISME | 培养中与实际土壤中细菌生长的对照预测基因组特征
推荐：江舜尧
编译：张雅倩
编辑：董小橙
美国北亚利桑那大学生态科学与社会研究中心,生物科学系, 西弗吉尼亚大学生物系和劳伦斯利弗莫尔国家实验室物理与生命科学理事会Junhui Li和Rebecca L. Mau等人于2019年5月3日在微生物顶级期刊ISME发表题目为《Predictive genomic traits for bacterial growth in culture versus actual growth in soil》的文章。该研究这些结果揭示了表现型依赖于环境，强调了通过直接测量自然界的表现型来验证基于特征模型的拟议方案的重要性，这是将微生物过程从基因转化为生态系统的一个重要且目前缺失的基础。
文章摘要
研究背景：微生物基因与表现型之间的关系通常在实验室纯培养中进行评估，而在自然界中几乎没有得到验证。在这里，我们展示了与实验室测量的最大生长潜力有关的基因组特征未能预测未改良土壤中细菌的生长速率，但成功预测了对资源脉冲的生长响应:添加底物后，生长随16S rRNA基因拷贝数增加而增加，随基因组大小而下降，并且在四种不同的生态系统中都有重复的反应。单独添加葡萄糖时，基因组大小最能预测生长速度;添加铵和葡萄糖削弱了这种关系，而这种关系在营养丰富的纯培养中是不存在的，这与减少基因组大小是一种营养保存机制的观点相一致。
方法：本实验以16S rRNA基因为分类标记[21]，采用定量稳定同位素探针(qSIP)，用18o标记水测定土壤中单个细菌类群的DNA合成速率。本实验在美国亚利桑那州北部的一个气候梯度采集的自然土壤组合中进行了测量。为了测试基因组大小和核糖体基因拷贝数是预测在资源条件范围内土壤细菌的分类特异性生长速率的基因组功能性状的假设，在未经修正的土壤中测量的生长速率以及响应于模拟资源可用性脉冲的底物添加，仅葡萄糖和葡萄糖加铵。通过将观察到的序列与BLAST与我们构建的仅包含完整基因组的数据库进行比较，估计16S rRNA基因拷贝数，在16S位点使用4个不同的序列识别阈值来测试对任何特定截止值的敏感性：94.5%（属），98.7%（种），99.5%和100%。观察到的模式对所选择的截止值不敏感，本实验将98.7%的截止值用于正文中给出分析。本实验观察到，估计的16S rRNA基因拷贝数与已知拷贝数的菌株吻合良好。本实验计算每个操作分类单元(OTU)的序列加权平均16S rRNA基因拷贝数。同样,通过匹配序列与已知基因组组装基因组大小,本实验估计了每个操作分类学单元的序列加权平均基因组大小。
结果：研究结果表明，土壤细菌的基因组特征可以映射到它们在自然界中的表现型，但在原生土壤条件下，这种映射很差。在原生土壤条件下，与胁迫耐受相关的基因组特征可能被证明更具预测性。
关键词：微生物; 基因组; 基因拷贝数
文章重要图片说明
图1：用于实验室纯培养培养的(灰色圆圈)或天然存在于未改良土壤中的(蓝色填充圆圈)的细菌生长速度与基因组性状的关系(拷贝数，图a;和基因组大小，图b)。
图2：在亚利桑那州北部的一个海拔梯度上，四个不同生态系统的16S rRNA基因拷贝数(a)或基因组大小(b)与土壤中细菌的观察生长速率之间的关系。
图3：在添加葡萄糖的处理中，13C和18O原子分数之间的正相关（Pearson）过量，表明响应于葡萄糖添加的增加的生长速率与葡萄糖作为生长基质的利用相关。
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