微生物群落存在于土壤、水體、大氣、動植物體內等多種生態系統中，對生態系統的穩定性和功能維持起著至關重要的作用，例如，有助于維持土壤肥力和水體中營養物質的循環等。

　　微生物群落的重要性目前已得到廣泛認可，但科學家們關于微生物群落中微生物物種之間的相互關系、數量比例以及空間分布等情況的認識還比較匱乏。

　　在不同宿主環境中，比如：植物的根際和葉面、人體的腸道和口腔，其中定植的微生物群落都會形成特定的空間結構。由于測序技術的局限性，科研團隊目前對于微生物群落在空間維度上的表征和理解仍然十分有限。

　　3月17日，一項發表于《自然—通訊》的最新研究表明，科研團隊成功開發可容錯編碼的序貫熒光原位雜交（SEER-FISH）技術，該方法可識別復雜群落中的不同微生物物種，在單細胞尺度上原位解析微生物物種之間以及微生物-宿主之間的相互作用，進而研究其生態規律和生理功能，是研究微生物群落的生態和功能的重要工具。

　　論文截圖

　　團隊在微米尺度上繪制了擬南芥根系定植的多細菌物種的生物地理分布，觀測到不同微生物物種在根系上的空間異質性定植，以及在受到宿主代謝物擾動后微生物的空間分布變化和物種空間關聯改變。

　　這項研究由中國科學院深圳先進技術研究院合成生物學研究所戴磊課題組完成，戴磊研究員為該文章的通訊作者，組內曹朝輝博士和左文龍博士為共同第一作者。深圳先進院為該論文第一單位。

　　突破傳統微生物群落成像限制

　　在植物的根部有著密密麻麻的微生物群落，這些微生物和植物的生長息息相關，形成了一個復雜而精彩的生態系統。盡管在目前的認知中，熒光原位雜交技術可以被用于微生物的可視化，但傳統的成像方法受到熒光基團光譜重疊的限制，能同時表征的物種豐富度也是非常有限。因此，科研團隊需要發展新的微生物成像技術，以更好地表征和解析微生物群落的空間結構。

　　戴磊團隊開發的一項新的微生物成像技術——SEER-FISH，有望解決傳統熒光成像技術在研究微生物群落空間結構時存在的限制。

　　該技術使用多輪的rRNA探針雜交解離，可實現對數千種微生物的同時成像和區分。此前，由于熒光基團光譜重疊的限制，傳統成像方法只能同時表征極其有限的微生物物種豐富度，使得微生物群落空間結構的研究受到了限制。

　　SEER-FISH技術拓展了熒光分子的種類與雜交成像輪數之間的指數組合，從而實現對微生物群的全部物種的同時成像。在體外合成微生物群落中的實驗驗證表明，該成像方法對群落組成識別具有準確性和可重復性。這一成果為進一步研究微生物群落的結構和生態系統提供了新的可能性。

　　“空間轉錄組成像技術MERFISH和SeqFISH已經被成功應用于真核生物的成像中，通過組合標記和連續成像，可以實現對單細胞中數千種mRNA的鑒定。”戴磊研究員說道。

　　考慮到此技術的成功應用，研究人員提出將該思路用于復雜微生物群落的成像標記，以避開現有熒光分子種類的限制，從而實現對微生物群落中所有物種的同時成像。

　　在實驗驗證中，多輪成像的rRNA探針雜交解離可至26輪后仍有明亮的熒光信號，允許對數千種不同的微生物進行成像和區分。此外，在體外合成微生物群落中，科研團隊使用可糾錯的編碼方案驗證了該成像方法對群落組成識別的準確性和可重復性。研究人員表示，該技術有望為微生物群落的空間結構表征和解析提供更加精確和全面的方法，為生態學、環境保護和農業生產等領域提供更多科學依據。

　　完成微生物群落精準成像

　　與真核生物不同，微生物的鑒定是通過核糖體rRNA的標記來實現的。由于親緣關系相近的微生物物種，其核糖體序列相似度較高，因此針對每種不同微生物設計出高度特異性探針的困難也隨之加大。非特異性雜交會出現物種難以鑒定和假陽性的問題，當同時標記的微生物種類大大增加時，非特異性雜交的影響會導致很多微生物的誤判。

　　為了解決相關問題，科研團隊在過去三年的時間里對微生物群物種的標記方式和編碼方法進行了優化和改進，以提高物種的準確識別率，并對微生物群落進行準確的成像，從而更好地理解微生物群落的組裝、微生物間和微生物-宿主相互作用及功能。

　　SEER-FISH拍攝的植物根際微生物組 

　　“該成果是一項重大的科研工作，相信它對該領域有著重要的支撐及貢獻。”期刊審稿人給予了該研究高度評價。

　　此外，發展SEER-FISH成像技術與其他空間解析技術的結合，將進一步拓展空間微生物組學的研究。例如與擴展顯微鏡相結合分析單個細菌細胞的空間轉錄組；與質譜成像或多重蛋白質圖譜一起，在分子水平上揭示復雜微生物群落在空間上的功能及其與宿主的相互作用。

　　該成像技術可以廣泛應用于表征復雜微生物群落中的物種空間異質性，并實現單細胞分辨率下各微生物物種在微米尺度上的空間分析，為空間微生物組的結構表征提供了有力工具，對微生物群落的研究具有重要意義。

　　“不僅限于對空間組成結構的描繪，未來我們還希望進一步將成像標記的分子擴展到mRNA，從而真正地將微生物群的結構-功能聯系在一起。”戴磊研究員說道。（趙梓杉/文 科研團隊/圖）

編輯：李巖清

責編：馬永和

審核：陳雪輝