2022-04-13 14:27

大规模单细胞基因组学如何补充宏基因组学研究

The power of one, amplified

研究人员从一个低多样性的温泉沉积物样本中收集了近500个单细胞,证明了进行大规模单细胞基因组学的价值。他们的工作表明,单细胞基因组学可以为其他常用的非培养测序方法(包括扩增子和宏基因组测序)增加重要价值。例如,他们发现,不同的测序方法下,群落的组成是相似的,特定物种的单细胞集合中含有可移动的遗传元素,而这些元素在配对宏基因组组合基因组(MAGs)中是缺失的,而且优势种群在物种重组的数量上是不同的,表明所分析的群落成员之间基因流动的变异。

尽管微生物有助于调节地球的营养循环,并可能在农业、生物技术和医学等领域发挥作用,但地球上和周围的绝大多数微生物仍是未知的。近年来,测序技术和生物信息工具的进步,已经通过宏基因组学帮助破译了数万个以前未知和未培养的微生物的基因组。这类技术利用生物信息学工具,直接从环境序列数据中提取微生物基因组片段,方法是将基因组序列的大混合物拼接在一起。一种互补的方法是单细胞基因组学,首先从环境样本中分离出细胞,然后分别放大它们的基因组并进行测序,这为科学家提供了将群体基因组学方法应用于直接从环境中提取的密切相关细胞的机会。

杜瓦溪是一个偏远的温泉,位于不列颠哥伦比亚省的荒野深处(不列颠哥伦比亚省珀塞尔野生保护省公园,BC公园)。在这些春天里,温度可以高达80摄氏度(约190华氏度),但微生物在这里大量繁殖。在这种极端环境下的群落往往比那些更温和的生态系统中的群落多样性更少。几年前,从包括杜瓦溪在内的几个温泉产生的微生物和宏基因组序列数据集中,确定了一种候选细菌谱系。

为了继续探索这一独特的环境,来自卡尔加里大学和美国能源部(DOE)联合基因组研究所(JGI)的研究人员,该研究所是位于劳伦斯伯克利国家实验室(Berkeley Lab)的能源部科学用户设施办公室,采用单细胞测序来评估微生物种群内部和之间的多样性。这项研究发表在ISME杂志上。

邓菲尔德实验室的成员从这个温泉中采集了样本。然后使用单个样本生成配对扩增子数据集(即16S rRNA基因测序)、猎枪宏基因组和近500个单细胞基因组的单细胞数据集。这项工作的单细胞部分是由JGI的微尺度应用小组的Danielle Goudeau和Rex Malmstrom完成的。细胞随机分类,全基因组扩增,然后测序和组装。罗伯特·鲍尔斯(Robert Bowers)是JGI微生物项目的一名科学家,他领导了对结果数据集进行基因组分析的工作,强调了单细胞测序在评估自然微生物种群变异方面的实用性。

这三种测序方法都产生了大致相似的社区概况。但每一种方法都在不同的尺度上展示了其全部价值。扩增子测序通常用于评估数千个样品中微生物多样性的波动。宏基因组学目前被应用于数十到数百个样本,而单细胞方法通常被用作分离测序的补充,即当目标细胞不能在实验室中培养时。

这项研究的独特之处在于将单细胞基因组学应用于整个社区。由于取样温泉的微生物多样性较低,一个近500个单细胞的数据集覆盖了样本内大多数类群的多样性。此外,三个最丰富的谱系由足够多的单细胞基因组代表,以便通过比较每个单细胞基因组的atgc来分析群体内部和群体之间的异质性。该团队表明,虽然广泛的核苷酸水平多样性在优势谱系中是相似的,但每个微生物组显示出巨大的不同的重组谱。这类似于社交媒体网络的结构,一个社交媒体群体可能有一组相对有限的朋友,而另一个社交媒体群体可能在互动和新的联系上表现出很少的限制,从而分享更多的想法,类似于在高度重组的微生物群体中分享基因。这项工作展示了单细胞测序的实用性,因为监测未培养微生物种群水平的异质性将为研究人员提供捕捉种群内精细变化的能力,这是菌株水平多样化和微生物物种形成的前兆。