中国农业大学食品学院郑浩团队在开发微流控单细胞培养组学技术揭示肠道菌群功能进化机制

　　近日，食品学院郑浩课题组（www.zhenghaolab.org）在生物学领域顶级期刊《微生物组》（Microbiome）发表题为“Strain-level profiling with picodroplet microfluidic cultivation reveals host-specific adaption of honeybee gut symbionts”的最新研究成果。该研究开发了液滴微流控平台，对蜜蜂肠道单个细菌进行皮升级液滴培养和鸟枪法宏基因组测序。宏基因组分析展示了蜜蜂肠道微生物的菌株水平多样性，揭示了不同细菌属中潜在新菌株的存在。比较基因组结果表明来自西方蜜蜂的乳杆菌含有一组与多糖代谢相关的独特基因，与宿主特异性定植密切相关。

 

　　共生肠道微生物具有丰富的基因组和代谢池，与宿主的健康密切相关。近年来，基于标记基因扩增和鸟枪法宏基因组的研究扩大了人们对复杂肠道微生物群落多样性的理解，但由于测序深度等限制，传统测序分析往往会掩盖来自同一物种菌株之间广泛存在的基因组和表型多样性，因此培养对于肠道微生物组的研究至关重要。基于液滴的微流体技术（Microfluidics）以低雷诺数和层流状态操纵不混溶相中的离散体积的流体，可以通过在直径为数十至数百微米的、由不混溶的油和表面活性剂分隔的液滴中隔离微生物来消除群落培养中过度生长的快速增长种群的影响；同时由于液滴不受微细物理孔或通道的限制，可以在短时间内创建数百万个独立的培养系统，从而实现高通量的微生物平行培养，这极大克服了传统培养方式的缺陷。

 

　　蜜蜂是自然和农业中植物的重要传粉者，肠道微生物群会影响蜜蜂的营养、体重增加、内分泌信号、免疫功能和病原体抵抗力，对宿主健康具有重要意义，需要对不同肠道微生物成员的作用进行更多研究。更重要的是，虽然蜜蜂肠道被有限数量的细菌系统型定植，但仍然存在显著的菌株水平多样性，个别菌株具有独特的基因组潜力和关键能力，为菌株水平分析提供了良好的模型。

 

　　在该研究中，研究人员建立了一个成熟的液滴微流控平台，产生了约6×108个单细菌液滴，通过对培养物的宏基因组分析得到了蜜蜂肠道的大量基因组草图，并进行了功能预测和基因组比较，对双歧杆菌属的分析揭示了潜在分类单元的存在，这些菌株在跨膜运输、肌醇利用以及多糖利用方面存在丰富的多样性。特别地，研究者们得到了来自蜂粮乳杆菌（Lactobacillus panisapium）的新菌株，该菌种在以往的研究中被认为特异性来源于中华蜜蜂。通过进一步的基因组比较，发现来自西方蜜蜂的菌株中独特地含有一组与饮食阿拉伯糖利用相关的代谢基因簇，包括araf43A, rafB, abfA和abfB，这可能与其对不同蜜蜂宿主的特异性适应密切相关。

 

　　该研究证明了基于液滴的单细菌培养在蜜蜂肠道微生物多样性研究方面的适用性，同时为液滴微流体技术在更复杂的环境微生物群落大规模研究中的应用铺平了道路。中国农业大学食品学院硕士生孟宇杰为论文第一作者，清华大学化学工程系张翀副教授为共同通讯作者。该研究获得了中国农业大学人才培育发展支持计划、国家重点研发计划青年项目、国家自然科学基金面上项目的资助。