单细胞尺度上解析厌氧微生物相互作用的分子机制

Microorganisms can establish beneficial interaction with other microbes in order to adapt to the changing environments. To explore the molecular mechanism that microbial genomes change and adapt to new environments, we propose to use a typical anaerobic microbial community consisted of bacteria and archaea as a model system , and apply integrated metagenomics, metatranscriptomics, metabolic modeling and single-cell gene expression analysis to decipher the microevolution process that microbes shift from pure-culture to mixed-culture life styles. The proposed research is based on the following two scientific hypotheses: 1) modification of metabolic and regulatory pathways occur when establishing stable microbial interaction, including modifying gene expression level or introducing foreign genes; 2) microbial interaction occurs at single-cell level and significant population heterogeneity can only be deciphered by using single-cell based approach. The proposed study will reveal how microbial communities adapt to the new environments at genomic and transcriptomic levels; and how such changes are coordinated at the genome scale. The use of single-cell based analysis will reveal the population heterogeneity for the first time.

微生物相互关系的建立和维持是自然环境中微生物生理代谢活动的重要环节。为了探讨其分子机制，我们选择一个由细菌和古细菌组成的典型厌氧微生物群落，并使用宏基因组、宏转录组以及单细胞基因分析相结合的方法来解析微生物从"单独"生长表型向"结盟"生长表型转化过程中的遗传学变化。研究基于两个科学假设：一）微生物相互关系的建立和维持涉及对代谢和调控途径的改变，包括基因功能和表达水平的改变甚至异源基因的引入；二）微生物相互关系建立和维持过程发生在单细胞水平，具有显著的种群多态性，需要通过基于单细胞尺度的分析才能准确解读。研究将揭示微生物是如何通过在基因组和转录组水平上的调控，以及多基因的协同来建立微生物相互关系，进而适应新的环境。单细胞基因表达技术的应用将首次实现对微生物相互关系建立过程的动态分析。本研究对解析微生物生态，以及发展基于混合微生物的生物工程应用有着重要的理论和应用价值。

相互关系的建立和维持是自然环境中微生物生理代谢活动的重要环节。为了探讨其分子机制，我们选择一个由厌氧细菌和古细菌组成的典型厌氧微生物群落，并使用宏基因组、宏转录组以及单细胞基因分析相结合的方法来解析微生物从“单独”生长表型向“结盟”生长表型转化过程中的遗传学变化。围绕相互关系的建立和维持涉及对微生物代谢和调控途径的改变，以及微生物相互关系建立和维持过程发生在单细胞水平，需要通过基于单细胞尺度的分析才能准确解读这两个科学假设，按计划展开了科学研究。主要发现包括：1）鉴定了可能与共生代谢及共生进化相关的基因，并对这些基因在微生物共生关系建立和维持过程中的转录水平动态变化进行准确定量；2）发现在D. vulgaris生物膜和浮游培养中单细胞间都存在明显的基因表达异质性，生物膜单细胞中基因表达异质性相对于浮游细胞明显的增加，同时发现了三个铁离子浓度调控相关基因（DVU1340、DVU1397和DVU2571）与高浓度铁离子环境下的D. vulgaris生物膜正常代谢的有着密切关系；3) 发展代谢组分析技术探究厌氧微生物生物膜的形成机理，同时解析了脱硫弧菌及其代谢物在金属铁腐蚀过程中的作用机理，对于微生物腐蚀防护的工作指明了重要信息。项目执行期内发表论文9篇, 评审中1篇，授权专利1项。为进一步展开微生物共生系统的系统研究奠定了基础。