田蕴教授团队建立“3C -strategy”实现复杂微生物群落中关键物种的识别与功能表征

　　

关键物种（keystone taxa）是微生物组(microbiome)结构与功能的重要驱动者，参与调控土壤养分循环、植物生长、海洋生物地球化学循环以及人类健康维持等众多的关键生态过程，对微生物群落响应污染物输入等剧烈环境变化时所发生的结构重组与功能重塑起着独特而关键的作用，它们的去除能够引起微生物组结构和功能显著变化。因此，识别、表征并操控关键物种对于定向强化微生物群落的功能至关重要。植物和动物生态学研究普遍采用移除假定的关键物种以评估其影响力，而微生物群落的复杂性、高紧密度及其在时空尺度上的快速周转，使其难以通过移除法来准确识别关键物种并表征其生态功能。因此，复杂微生物群落中关键物种的识别与表征是一个重大挑战。

近日，田蕴教授团队在Microbiome上发表题为“Characterization of two keystone taxa, sulfur-oxidizing, and nitrate-reducing bacteria, by tracking their role transitions in the benzo[a]pyrene degradative microbiome”的研究论文，首次联合使用共现网络分析（co-occurrence network analysis）、比较基因组（comparative genomics）和靶向共培养技术（co-culture of targeted taxa ）建立了“3C-stategy” 应对这一挑战。

研究以微生物多样性与时空异质性高度复杂的红树林沉积物为基质建立微宇宙实验体系，通过添加高生物毒性污染物-苯并[a]芘（BaP）以及硝酸盐作为环境因子触发和追踪关键物种的定向演替。首先通过共现性网络分析发现两株硫氧化硝酸盐还原菌Sulfurovum和Sulfurimonas在不同环境条件下发生了显著的时序性角色转换：它们在原位环境中作为非关键物种呈现中性关系，但Sulfurimonas在硝酸盐添加的条件下转换为关键物种并与Thioalkalispira形成关键菌群（keystone guild），而Sulfurovum在BaP压力下脱颖而出成为关键物种，与降解菌Novosphingobium紧密互作形成BaP降解关键菌群。宏基因组分箱和比较基因组进一步解析了这些关键物种的代谢潜力，发现Sulfurimonas拥有更完善的环境感知系统和更强的运动性，而Sulfurovum表现出更优的抗氧化以及营养和能量传输潜能。采用高效热不对称交错PCR（hiTAIL-PCR）和增强型绿色荧光蛋白（eGFP）对关键物种进行捕获和标记，进而通过共培养实验证实Sulfurovum能够帮助降解菌高效清除活性氧 (ROS)、提高其生长和降解活性，表明 Sulfurovum 在BaP降解组抵御污染物生物毒性的过程中发挥关键作用。

上述研究结果表明 “3C-strategy”可以作为表征复杂微生物群落中关键物种的有力工具。基于该策略锁定的BaP降解关键物种及其菌间关系可为后续合成功能菌群的构建提供重要线索。同时，“3C-strategy”作为普适性的研究策略，有望为更多面临环境急剧变化的微生物组（如石油污染区域的海洋微生物组、遭受农用化学品输入或致病菌侵袭的植物微生物组，甚至是被抗生素、饮食干预和疾病侵扰的人体微生物组等）关键物种的识别与操控提供理论和技术支撑。

该论文的第一作者为林筱岚博士，通讯作者为田蕴教授。

论文链接：https://doi.org/10.1186/s40168-023-01583-1

（图/文田蕴课题组）