​基于HOOKE单细胞分选平台的嗜冷电活性微生物的mini-metagenome分析研究

2020年11月，哈尔滨工业大学城市水资源与环境国家重点实验室邢德峰教授团队应用辰英核心产品——拉曼单细胞分选仪HOOKE PRECI SCS-R300，在期刊《Science of the Total Environment》上发表文章“Mini-metagenome analysis of psychrophilic electroactive biofilms based on single cell sorting”。

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一、研究背景

微生物群落的活性对生物电化学系统（BES）中的细胞外电子转移（EET）过程具有重要影响，而了解这些复杂的微生物代谢相互作用是一个巨大的挑战。温度是影响细菌活性和胞外电子转移效率的主要环境因素之一。嗜冷电活性细菌的代谢功能对于研究低温（4-15℃）下细胞外电子转移（EET）机制具有重要意义。本研究采用拉曼细胞分选耦合高通量测序技术，准确获得嗜冷细菌群落的基因信息。首次通过拉曼光谱聚类分析，精准识别出杆菌属目标类群，并通过mini-metagenome测序分析，获知生物膜群落中膜运输功能基因ftsEX的相对丰度较高，说明其对低温的适应有助于电活性细菌在低温下生存；基础代谢如柠檬酸循环和糖酵解途径为胞外电子转移过程提供电子，高丰度铁(iii)转运系统基因的鉴定表明它们存在于电子转移过程的主动代谢反应中，细胞色素c（coxA和cox1）可能参与胞外电子转移。本研究揭示了嗜冷地杆菌在低温下具有细胞色素c介导的有效EET。

二、实验设计

mini-metagenome具有单细胞分辨率、低复杂度和高通量等优点，非常适合环境样本。

在本研究中，作者通过单细胞拉曼分选获得了嗜冷微生物Geobacter，通过MDA扩增获得mini-metagenome。通过结合SCS和宏基因组测序，进而对嗜冷EABs的代谢功能有了更深入的了解。

三、结果与讨论

1. 单细胞分选和分类鉴定

嗜冷微生物燃料电池（MFC）的电压持续时间曲线如图1A所示，峰值电压达到0.419~0.448 V。对运行至300天的嗜冷MFC中的微生物群落进行了基于16S rRNA基因的扩增子高通量测序，分析了嗜冷阳极生物膜的细菌群落结构。分析表明，大多数优势种群属于地杆菌属Geobacter（相对丰度为68.29％）（图1B）。

Fig.1 嗜冷MFC的电压持续时间曲线（A）和原始生物膜的群落结构（B）。

结合拉曼光谱对35个具有短杆状形态的细菌细胞进行了检测，并通过依照其拉曼图谱进行的聚类分析将它们分为3个聚类组别（图2A和B）。单细胞拉曼分选后，目标菌从分选芯片上调入接收器中，其他菌保持不变(图2C和D)。

Fig.2 基于拉曼光谱的嗜冷微生物单细胞聚类分析。不同簇的拉曼光谱(A)和聚类分析图(B)，分选前(C)和分选后(D)。

分离菌成功获得基因组DNA，并通过16S rRNA基因扩增验证(图3)。

Fig.3 分选细胞的基因组扩增(A)和PCR验证(B)。

通过16S rRNA基因测序确定了mini-metagenome（聚类组别）的群落组成。从三个拉曼聚类组别样本中获得了超过100,000个高质量的16S rRNA基因有效reads。 Chao1以及Shannon和Simpson多样性指数表明，Cluster2的丰富度和物种均匀度比其他簇最低（Table 1）。

Table 1. 16S rRNA基因测序分析不同类群的群落多样性

在纲水平上确定的主要菌群是Cluster1中的Alphaproteobacteria（94.41％）和Cluster2中的Deltaproteobacteria（99.97％），而在Cluster3中，GammaProteobacteria（53.16％）和Deltaproteobacteria（46.56％）占主导地位（图4A）。此外，在属水平上，不同簇之间的微生物群落组成存在实质性差异（图4B和C）。在Cluster1和Cluster2中，主要属为Sphingomonae（94.41％）和Geobacter（99.97％），而在Cluster3中，Geobacter（46.56％）和Polaromonas（44.25％）是两种主导菌属。在Cluster1和Cluster3中，本研究感兴趣的Geobacter的相对丰度分别为5.43%和46.56%。这些结果表明，Cluster2是目标细菌的准确选择，因为Geobacter的相对丰度为99.97％。随后，对Cluster2进行了宏基因组测序，以生成微型宏基因组，以研究嗜冷细菌的潜在代谢活性。

Fig.4 （A）和（B）不同簇的微生物群落结构，基于OTU（C）的PCA和基于微型宏基因组（D）中代表性回收细菌的基于16S rRNA基因的系统树。

2.嗜冷微生物的mini-metagenome分析

基于16S rRNA基因的系统发育研究表明，基于单细胞分选回收得到的mini-metagenome与Geobacter thiogenes和Geobacter lovleyi的基因组相似(图4D)。

与KEGG数据库匹配的mini-metagenome序列显示了嗜冷细菌的代谢网络和功能的概述。这表明，膜运输（membrane transport）功能在mini-metagenome中占主导地位(图5A)。

Fig.5 mini-metagenome中KEGG注释基因的数量(A)和特定基因的相对丰度(B)。

此外，有大量的基因参与细胞运动（cell motility）、信号转导（signal transduction）、转运（translation）和碳水化合物代谢（carbohydrate metabolism），也有很多占比的未知功能基因。为了进一步表征嗜冷EAB的潜在代谢途径，列举了一些重要代谢途径(翻译、膜运输、电子转移和能量代谢物)的功能基因(图5B)。其中，与膜转运相关的基因afuAB和ftsEX的丰度相对较高(12%)。其他相对丰度较高的基因序列包括核糖体蛋白编码基因rpsDEKM(0.33%)和rplFTOQR(2.10%)，编码cox1的细胞色素c氧化酶亚基1(1.36%)，柠檬酸循环(TCA循环)或与糖酵解相关的korABD(0.51%)icd(0.50%)和pckA(1.31%)。此外，鞭毛蛋白(fliEOZ)、电子转移黄蛋白β亚基(fixA)和细胞色素c氧化酶亚基I (coxA)相关基因的相对丰度也较低。

四、结论

采用单细胞分选、层次聚类分析和群落结构高通量测序、宏基因组测序相结合的方法，深入研究了嗜冷EAB的代谢功能。成功地表征了地杆菌属Geobacter的生理信息和胞外电子传递的潜在代谢途径，并实现了准确的分离。mini-metagenome表现出嗜冷MFC群落结构对低温的适应和对电位电子转移过程的主动代谢反应。细胞色素c等关键基因在低温嗜冷EAB的EET中起重要作用。

文章中提到的相关仪器：

辰英科仪自主研制的单细胞分选仪PRECI SCS具有独特的可视化分选功能，所见即所得，精准实现目标细胞的逐一分离。采用独特的激光与物质相互作用原理，对于复杂生物样本中形态各异的细胞，可实现非标记状态下的精准分离。对于百纳米级的单个微生物细胞也同样适用。

单细胞分选仪HOOKE PRECI SCS

PRECI SCS具有可视化、精准、广泛适用等特点。分选过程不依赖标记，可与形态、拉曼、荧光等多种识别方式结合，多种机型可选，满足不同应用需求。搭载潜心研制的HOOKE IntP智能软件，实现单细胞图像智能识别、一键自动分选、全自动细胞获取等。设备操作流程简易，为单细胞测序、未培养微生物开发、工程细胞筛选、细胞图谱绘制等研究提供完美解决方案，助力前沿科学研究。

拉曼单细胞分选仪HOOKE PRECI SCS-R300

PRECI SCS具有可视化、精准、广泛适用等特点。分选过程不依赖标记，可与形态、拉曼、荧光等多种识别方式结合，多种机型可选，满足不同应用需求。搭载潜心研制的HOOKE IntP智能软件，实现单细胞图像智能识别、一键自动分选、全自动细胞获取等。设备操作流程简易，为单细胞测序、未培养微生物开发、工程细胞筛选、细胞图谱绘制等研究提供完美解决方案，助力前沿科学研究。