环境微生物专栏 | 重要期刊最新研究进展（20201223）
Science
科研| Science：Split-pool条形码法测定微生物单细胞RNA序列
本文由弈轩编译
美国华盛顿大学华盛顿大学分子工程与科学研究所Georg Seelig等人于2020年12月17日在Science发表题为《Microbial single-cell RNA sequencing by split-pool barcoding》的文章，本研究发现了一种新的鉴定细菌基因表达的工具，是用于革兰氏阴性和革兰氏阳性细菌的高通量scRNA-seq方法——MicroSPLiT。该方法为高通量分析细菌群落中的基因表达铺平了道路，为微生物组的单细胞分析提供了可能性。
摘要：单细胞RNA测序（scRNA-seq）已成为鉴定真核生物基因表达的重要工具，但目前的方法与细菌不兼容。在这里，我们介绍microSPLiT，这是一种用于革兰氏阴性和革兰氏阳性细菌的高通量scRNA-seq方法，可以解决异质转录状态。我们将microSPLiT应用于不同生长阶段采样的超过25000个枯草芽孢杆菌细胞，从而创建了新陈代谢和生活方式变化的图谱。我们检索了与已知但罕见的状态（如能力和原噬菌体诱导）相关的详细基因表达谱，并且还鉴定了新发现且意想不到的基因表达状态，包括细胞亚群中生态位代谢途径的异质激活。MicroSPLiT为高通量分析细菌群落中的基因表达铺平了道路，否则无法进行单细胞分析，如天然微生物群。
原名：Microbial single-cell RNA sequencing by split-pool barcoding
译名：Split-pool条形码法测定微生物单细胞RNA序列
期刊：Science
IF：41.845
发表时间：2020.12
通讯作者：Georg Seelig
通讯作者单位：美国华盛顿大学华盛顿大学分子工程与科学研究所
DOI号：10.1126/science.aba5257
原文链接：
https://science.sciencemag.org/content/early/2020/12/16/science.aba5257?rss=1
ISME Journal
科研| ISME Journal：在模型微生物群落演替过程中，生态驱动力从自下而上转变为自上而下
本文由国民少女编译
摘要：自下而上的选择在微生物群落构成中起着重要的作用，但不能解释所有观察到的差异。诸如自上而下的选择（例如掠食）之类的其他过程可能部分导致无法解释的差异。但是，自上而下的过程及其与自下而上的选择压力之间的相互作用仍待探索。我们利用原位海洋生物膜模型系统测试了自下而上（即，底物特性）和自上而下（即，通过100 µm网格排除大型捕食者）选择性压力对群落构成的影响（56天）。使用16 S和18 S rRNA基因扩增子测序监测原核和真核生物群落组成。较高的组成变异性可以通过连续演替早期的生长基质来解释，但是随着生物膜的成熟，自上而下的捕食变得越来越重要。木质基质促进了异养生物的生长，而惰性基质（即塑料，玻璃，瓷砖）缺乏为自养生物选择的可降解材料。早期的木材群落包含更多的混合营养菌和异养生物（例如，与惰性基质相比，木材中变形杆菌和裸藻菌的总丰度分别高34％和41％）。相反，惰性基质显示出自养性丰度的两倍（例如，蓝细菌和癣菌占惰性基质内总富集度比木材高37％和10％）。晚期的自然（非封闭）群落主要由所有底物上的自养生物主导，而高异养性丰度则是封闭群落的特征。晚期群落主要处于自上而下的控制之下，大型掠食者先后修剪了异养生物。自上而下的控制集成增加了7-52％的可解释方差，从而使人们更加了解指导多营养群落结构和演替动态的潜在生态过程。
原名：Ecological drivers switch from bottom–up to top–down during model microbial community successions
译名：在模型微生物群落演替过程中，生态驱动力从自下而上转变为自上而下
期刊：The ISME Journal
IF：9.18
发表时间：2020.11.23
通讯作者：Sergio E. Morales
通讯作者单位：奥塔哥大学微生物学和免疫学系
DOI号：10.1038/s41396-020-00833-6
原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41396-020-00833-6
Gut Microbes
科研| Gut Microbes：持久性有机污染物对肠道微生物代谢的影响
本文由萌萌依编译
美国宾西法尼亚州立大学Andrew D. Patterson等人于2020年12月09日在Gut Microbes发表题为《Metabolic impact of persistent organic pollutants on gut microbiota》的文章，作者系统地研究了持久性有机污染物包括2，3，7，8-四氯二苯并呋喃 (TCDF)、2，3，7，8-四氯二苯并对二恶英 (TCDD) 和多氯联苯(PCB-123和PCB-156) 对微生物菌群的直接影响。研究表明持久性有机污染物直接影响了盲肠细菌的代谢，导致微生物代谢活性和基因表达发生了显著变化。这些数据为持久性有机污染物对肠道微生物的影响提供了新的见解，并有助于风险评估中确定潜在的微生物毒性终点。
摘要：越来越多的证据表明，接触持久性有机污染物 (POPs) 会影响肠道微生物和宿主之间的相互作用，但仍需要更多的研究以了解潜在的新的毒性途径。我们系统地研究了持久性有机污染物包括2，3，7，8-四氯二苯并呋喃 (TCDF)、2，3，7，8-四氯二苯并对二恶英 (TCDD) 和多氯联苯 (PCB-123和PCB-156) 对微生物菌群的直接影响。研究表明：(1) 持久性有机污染物直接影响了盲肠细菌的代谢，导致微生物代谢活性显著降低；(2) 大多数持久性有机污染物暴露后，盲肠细菌与三羧酸 (TCA) 循环以及碳代谢、固碳、丙酮酸代谢和蛋白质输出有关的基因表达发生了显著变化；(3) 6个单独的细菌物种对POP暴露的脂质代谢表现出不同的反应；(4) 与PCB-153 (非共面) 相比，PCB-153对细菌的影响更大。这些数据为持久性有机污染物对肠道微生物的直接影响提供了新的见解，并有助于风险评估中确定潜在的微生物毒性终点。
关键词：持久性有机污染物；肠道微生物群；代谢组学；核磁共振；质谱法；流式细胞术；生长率测定
原名：Metabolic impact of persistent organic pollutants on gut microbiota
译名：持久性有机污染物对肠道微生物代谢的影响
期刊：Gut Microbes
IF：7.74
发表时间：2020.12
通讯作者：Andrew D. Patterson
通讯作者单位：美国宾西法尼亚州立大学
DOI号：10.1080/19490976.2020.1848209
原文链接：
https://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/19490976.2020.1848209
科研| Gut Microbes：运动员肠道菌群间的差异与饮食习惯、身体特征和赛事表现相关
本文由小白同学编译
摘要：运动员肠道微生物群落的类群和多样性都不同于习惯久坐的人。然而，优秀运动员和普通运动员的肠道菌群又有何不同？能否根据微生物群落间的差异有效地考察运动员的潜能呢？目前尚不清楚。本研究以中国职业女子赛艇运动员为研究对象，从中收集了19名运动员的306份粪便样本，将其分为优秀成人运动员 (AE)、优秀青年运动员 (YE) 和普通青年运动员 (YN) 三个组别。进而比较了不同组别运动员之间肠道微生物组的差异，并研究其与饮食、身体特征和运动表现的关系。优秀运动员的肠道微生物多样性要高于普通青年运动员，且AE、YE和YN的肠道菌群在物种门类、功能和表型组成上存在显著差异。此外，运动员粪便样本可明显分为三种肠型，其中大多数优秀运动员属于肠型三，基于肠型的微生物组与运动员的赛事表现密切相关。根据这种差异建立了基于物种和功能性生物标记物的随机森林模型，能够精确地对优秀运动员和普通运动员进行区分。最后，运动员肠道菌群的这些差异与其饮食习惯和身体特征也有关，这两种因素可以解释其中41%的差异性。
原名：Stratification of athletes’ gut microbiota: the multifaceted hubs associated with dietary factors, physical characteristics and performance
译名：运动员肠道菌群间的差异与饮食习惯、身体特征和赛事表现相关
期刊：Gut Microbes
IF：7.74
发表时间：2020.12
通讯作者：卢群伟&宁康
通讯作者单位：华中科技大学生命科学与技术学院
DOI号：10.1080/19490976.2020.1842991
原文链接：
https://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/19490976.2020.1842991
Trends in Microbiology
综述| Trends in Microbiology：微生物接种剂：杀手锏还是微生物入侵帮凶？
本文由白羽编译
美国华盛顿州立大学植物病理学系的Chandra N Jack等人于2020年12月10日在Trends in Microbiology上发表题为《Microbial Inoculants: Silver Bullet or Microbial Jurassic Park?》的文章，本研究主要讨论了人类辅助微生物入侵的潜在后果。回顾了美国目前的监管条理性，并提供了一套通用的做法，以降低微生物接种剂逃避其预定用途并变得具有侵入性的可能性。
摘要：在过去十年中，使用微生物接种剂来调节植物性状和管理生态系统的生产力的呼声渐高，因为微生物是肥料、杀虫剂和植物直接基因修饰的替代物。利用微生物可以绕过许多社会和环境问题，因为微生物产品被认为是一种更可持续且良性的技术。但在我们渴望利用植物-微生物共生体的能力时，我们是否忽视了其中引发微生物入侵的可能性，潜在地建立出微生物的侏罗纪公园？在这里，我们概述了微生物入侵的潜在负面后果，并描述了一套基于入侵的四个阶段的实践体系 (测试、调节、工程以及根除，TREE)，以防止微生物接种物变得有侵入性。我们旨在鼓励预防微生物入侵最佳做法的讨论。
原名：Microbial Inoculants: Silver Bullet or Microbial Jurassic Park?
译名：微生物接种剂：杀手锏还是微生物入侵帮凶？
期刊：Trends in Microbiology
IF：13.546
发表时间：2020.12.10
通讯作者：Chandra N Jack
通讯作者单位：美国华盛顿州立大学植物病理学系
DOI号：10.1016/j.tim.2020.11.006.
原文链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0966842X20302973
Microbiome
科研| Microbiome：草甘膦导致水蚤胚胎发育衰竭并改变其代谢途径和肠道菌群功能
本文由弈轩编译
伯明翰大学埃德巴斯顿大学生物科学学院James B. Brown 和Luisa Orsini等人于2020年12月15日在Microbiome发表题为《Roundup causes embryonic development failure and alters metabolic pathways and gut microbiota functionality in non-target species》的文章，本研究通过对生长在长期暴露于草甘膦和除草剂下的饮用水中的水蚤，通过测量其适应性相关的生活史特征，全基因组转录和微生物区系的变化，证明除草剂会直接影响宿主分子过程和间接影响肠道微生物群，导致水蚤胚胎发育失败和关键代谢功能的改变，进一步影响了整个生态系统。
摘要: 背景: 围绕草甘膦除草剂的研究是二十一世纪最具争议的研究之一。科学家们提供了一定的证据，证明该除草剂会导致癌症和其他威胁生命的疾病，而行业付费研究报告表明，该除草剂不会对人或动物产生不良影响。关于草甘膦的许多有争议的证据都源于用于确定化学品安全使用的方法，该方法由过时的毒性测试定义。我们将系统生物学方法应用于生物医学和生态模式物种水蚤，以充分利用水蚤的无性繁殖优势，来量化草甘膦及其商业配方对适应度、全基因组转录和肠道微生物群的影响。然后，我们应用基于机器学习的统计分析来识别和区分全基因组转录和微生物群变化之间的相关性。
结果: 我们表明，长期暴露于草甘膦和除草剂下的饮用水会导致水蚤胚胎发育衰竭，引起严重的DNA损伤（遗传毒性），并干扰信号传导，尽管是在饮用水监管阈值下。此外，长期接触除草剂会改变肠道微生物群的功能和组成，从而干扰碳和脂肪的代谢以及体内平衡。使用“反应基因组”，我们确定了贯穿生命之树的保守途径，这些路径是其他物种的潜在靶标，包括肝脏代谢、炎症途径和胶原蛋白降解，负责修复伤口和组织重塑。
结论: 我们的研究结果表明，长期暴露于草甘膦和除草剂下的饮用水（在饮用水监管阈值下），会直接影响宿主分子过程和间接影响肠道微生物群，导致水蚤胚胎发育失败和关键代谢功能的改变。水蚤是小型脊椎动物和无脊椎动物的首选食物，也是藻类和细菌的取食者，在水生生态系统的食物网中占有中心地位。除草剂对这种关键物种的影响对水生食物网具有连锁效应，影响它们提供关键生态系统服务的能力。
原名：Roundup causes embryonic development failure and alters metabolic pathways and gut microbiota functionality in non-target species
译名：草甘膦导致水蚤胚胎发育失败，改变其代谢途径和肠道菌群功能
期刊：Microbiome
IF：11.607
发表时间：2020.12
通讯作者：James B. Brown & Luisa Orsini
通讯作者单位：伯明翰大学埃德巴斯顿大学生物科学学院
DOI号：10.1186/s40168-020-00943-5
原文链接：
https://microbiomejournal.biomedcentral.com/articles/10.1186/s40168-020-00943-5
Molecular Ecology
科研 | Mol. Ecol.：环境促使水生生境中的微生物性状变异
本文由茗溪编译
法国索邦大学海洋微生物实验室和德国IOW研究所的Sara Beier等人于2020年10月1日在Molecular Ecology发表题为《The environment drives microbial trait variability in aquatic habitats》的文章，本研究通过研究来自海洋近海或海岸和湖泊的5个水生宏基因组时间序列中基因的时间动态，证明了等位基因变异随着(i)较大的季节元群落大小、(ii) 较高的基因拷贝数和(iii) 暴露于细胞外环境而增加等假设。还估计了原核生物中非必需基因的等位基因的时间平均变异性和作为系统发育标记的1组强制性单拷贝基因的平均等位基因变异，以便估计和比较5个数据集中的每个数据集的整体性状和物种变异，在准确预测群落对动态环境反应方面具有生物学意义。
摘要：了解微生物组装的机制是提高微生物群落动力学的可预测性的前提。为了研究影响微生物群落组合的因素，我们研究了5个水生宏基因组（分别来自海洋近海或海岸和1个湖泊）时间序列中基因的时间动态。通过这种基于性状的方法，本研究期望找到基因特异性的暂时等位基因变异模式，它取决于载体类群的季节性元群体大小、环境的变化和产生的蛋白质暴露的底物。更详细地说，我们假设（1）更大的季节性元群落大小会导致功能单位 (即基因等位基因) 的时间变异性增加，正如前人研究的那样。（2）多拷贝基因比单拷贝基因具有更高的时间变异性，因为底物质量和数量的高变异性可导致基因增殖。（3）与较少暴露于环境波动的细胞内蛋白相比，直接暴露于细胞外环境的蛋白会导致相应基因的时间变异性增加。前2个假设在所有数据集中都得到了证实，而在5个时间序列中，只有3个时间序列体现了基因产物亚细胞位置对其的显著影响。所有数据集中等位基因变异最高的基因是铁转运体，也代表了噬菌体感染的目标。前人研究强调噬菌体原核生物的相互作用是微生物多样性的主要驱动因素。因此，本研究指出了铁转运体介导的噬菌体感染在水生原核生物多样性的组装和维持中可能发挥的重要作用。
原名：The environment drives microbial trait variability in aquatic habitats
译名：环境促使水生生境中的微生物性状变异
期刊：Molecular Ecology
IF：5.163
发表时间：2020.10.1
通讯作者：Sara Beier
通讯作者单位：法国索邦大学海洋微生物实验室
DOI号：10.1111/mec.15656
原文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1111/mec.15656
mSystems
科研| mSystems：不同丛枝菌根真菌与单一植物根系共定植招募不同微生物类群
本文由思敏如月编译
中国农业大学环境与资源科学学院顾峰等人于2020年12月15日在mSystems发表题为《Different arbuscular mycorrhizal fungi cocolonizing on a single plant root system recruit distinct microbiomes》的文章。本文采用Miseq测序手段和13C-DNA稳定同位素探测技术，分析了接种丛枝菌根真菌（AMF）混合剂后被菌丝体分泌物激活的微生物组。研究发现丛枝菌根真菌对菌丝际招募微生物类群具有重要影响。本研究对探究微生物组在生态系统服务中的功能预测具有潜在价值。
摘要：植物根部通常定植多样的AMF，这些定植在植物根部的AMF的多样性表现在其表型、生理形状和遗传特征方面，并且它们构成菌根营养获取的途径。每一个AMF的根外菌丝体都与细菌发生互作关系。然而，有关AMF根外菌丝体中微生物的群落组成和功能还知之甚少。为了解决这一困惑，本研究设计了一个分隔式的“根室”，将两种不同的AMF混合菌剂分别接种于棉花根部，通过Miseq测序手段和13C-DNA稳定同位素探测技术分析被菌丝分泌物激活的微生物组。研究结果表明，不同的AMF是同时定植在植物根部的，具有不同的活性微生物组。此外，不同微生物组的潜在功能存在差异。本研究对探究微生物组在生态系统服务中的功能预测具有潜在价值。
关键词：丛枝菌根真菌、13C-DNA稳定同位素探测、菌丝际、微生物组、同源基因簇、菌丝分泌物、菌根途径
原名：Different arbuscular mycorrhizal fungi cocolonizing on a single plant root system recruit distinct microbiomes
译名：不同丛枝菌根真菌与单一植物根系共定植招募不同微生物类群
期刊：mSystems
IF：6.633
发表时间：2020.11.17
通讯作者：顾峰
通讯作者单位：中国农业大学环境与资源科学学院
DOI号：10.1128/mSystems.00929-20
原文链接：
https://msystems.asm.org/content/5/6/e00929-20
AEM
科研| AEM：人类和猪微生物群的共有抗药性由独特的遗传因素引起
本文由小范儿编译
中国科学院微生物研究所微生物资源国家重点实验室冯婕等人于2020年12月11日在Applied and Environmental Microbiology发表题为《The shared resistome of human and pig microbiota is mobilized by distinct genetic elements》的文章，文章研究移动遗传元件对人类和猪肠道微生物区共生菌中普遍存在的抗生素抗性基因丰度的贡献。结果表明，对于大多数这些抗生素抗性基因，其丰度不能通过每个宿主中相同的移动遗传元件解释，表明人类和猪的微生物群落促进同一抗生素抗性基因的不同的移动遗传载体。这些结果加深对抗生素耐药性基因在人和猪肠道菌群之间传播的理解。
摘要：抗生素在医院和动物养殖业的广泛使用，促进细菌的抗生素耐药性，导致人和养殖业动物的肠道中出现大量的抗生素耐药基因。目前，病原菌在两个生态系统之间抗性基因的遗传交换已经有文献记载，但共生细菌群落中共享抗性基因的全部功能以及它们通过哪些遗传模块传播仍不清楚。通过对深圳人群和猪肠道样本的宏基因组学数据分析，发现27个高流行的抗生素耐药基因在人和猪肠道菌群中共享。通过挖掘这两个数据集构建的携带模板结构，可以发现其中11个核心抗生素耐药基因的移动遗传背景，发现7个整合和结合/可移动的元件和2个与顺式相关的转座子。比较这些检测到的可移动遗传元件与其相关抗生素抗性基因的相对丰度，发现对于许多基因来说，可移动遗传元件对基因丰度的估计贡献因宿主的不同而显著不同。这些结果表明，虽然一些抗生素抗性基因在人和猪种群的微生物群中普遍存在，但它们可能依赖于不同的遗传元件在每个种群中传播。
关键词：抗生素、耐药性、遗传原件
原名：The shared resistome of human and pig microbiota is mobilized by distinct genetic elements
译名：人类和猪微生物群的共有抗药性由独特的遗传因素引起
期刊：Applied and Environmental Microbiology
IF：4.077
发表时间：2020.12.11
通讯作者：冯婕
通讯作者单位：中国科学院微生物研究所微生物资源国家重点实验室
DOI号：10.1128/AEM.01910-20
原文链接：
https://aem.asm.org/content/early/2020/12/08/AEM.01910-20
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