海洋覆蓋地球表面的71%，是地球上最大的活躍碳庫。海洋微生物個體雖小，但數(shù)量極大，每年固定二氧化碳達22億噸，占地球上年生物固碳總量的一半以上。然而，海洋微生物的原位功能通常難以直接測量而且絕大多數(shù)尚未培養(yǎng)。因此，如何直接建立細胞原位功能與基因組的關聯(lián)一直是業(yè)界的關鍵方法學挑戰(zhàn)。近日，中國科學院青島生物能源與過程研究所單細胞中心建立了拉曼介導的靶向元基因組技術（Ramanome-Guided Metagenomics；RGM），RGM首先通過單細胞拉曼光譜表征與識別細胞原位固碳功能，然后準確地分選出特定固碳功能的單細胞，并與基因組測序相耦合。由于其不依賴于細胞培養(yǎng)而且不需熒光標記細胞，因此RGM技術為海洋微生物組原位功能研究提供了嶄新的思路與方法，該工作近期發(fā)表于Environmental Microbiology（doi: 10.1111/1462-2920.14268）。
單細胞中心的荊曉艷、勾洪磊和公衍海等人合作，首先開發(fā)了“All-in-One”單細胞拉曼分選與測序一體化器件，以提高從復雜環(huán)境樣品中拉曼分選細胞的質(zhì)量和通量。他們以中國黃海近海真光層的新鮮海水為模式，用13C-NaHCO3飼喂其微生物組，然后通過測量海水拉曼組中各個單細胞拉曼圖譜上13C峰的動態(tài)特征，從而分辨在海水中活躍固定與代謝無機碳的單細胞群。進而基于“All-in-One”單細胞拉曼分選與測序器件，分選這些原位固碳單細胞群，并測定其DNA序列，以重構出基因組草圖（圖1）。研究人員發(fā)現(xiàn)，在該海域，固定與代謝無機碳的優(yōu)勢物種為Synechococcus spp.和Pelagibacter spp.，二者都含有類胡蘿卜素并且均將無機碳源中的13C整合入細胞中。與這些功能相吻合，Synechococcus spp.和Pelagibacter spp.的基因組上都帶有類胡蘿卜素合成，光能量捕獲和CO2固定所需的關鍵基因。而且，Pelagibacter spp.擁有β-胡蘿卜素、視紫質(zhì)合成和利用回補反應固碳的代謝通路。
作為海洋中數(shù)量最豐富的細菌類群，Pelagibacter spp.是否在海洋中原位固定二氧化碳，業(yè)界一直眾說紛紜。這一工作為該重大問題的回答貢獻了嶄新的證據(jù)，并提出了相應的分子機制。同時，RGM技術的建立為在各種時空尺度探討海洋微生物組“Genome-Phenome”關聯(lián)機制，奠定了方法學基礎。
上述工作由英國牛津大學工程系黃巍和中科院青島能源所單細胞中心徐健合作指導完成，獲得了國家自然科學基金委和中科院微生物組計劃等項目的支持。
論文信息：Jing Xiaoyan, Gou Honglei, Gong Yanhai, Su Xiaolu, Xu La, Ji Yuetong, Song Yizhi, Thompson Ian, Xu Jian, Huang Wei. Raman-activated cell sorting and metagenomic sequencing revealing carbon-fixing bacteria in the ocean. Environmental Microbiology, 2018, doi: 10.1111/1462-2920.14268.
青島能源所建立拉曼介導靶向元基因組技術研究海洋固碳機制
