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青島能源所建立拉曼介導(dǎo)靶向元基因組技術(shù)研究海洋固碳機(jī)制

發(fā)布時(shí)間: 2018-05-11
撰稿: 青島生物能源與過(guò)程研究所
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　　海洋覆蓋地球表面的71%，是地球上最大的活躍碳庫(kù)。海洋微生物個(gè)體雖小，但數(shù)量極大，每年固定二氧化碳達(dá)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(cè)量而且絕大多數(shù)尚未培養(yǎng)。因此，如何直接建立細(xì)胞原位功能與基因組的關(guān)聯(lián)一直是業(yè)界的關(guān)鍵方法學(xué)挑戰(zhàn)。近日，青島能源所單細(xì)胞中心建立了拉曼介導(dǎo)的靶向元基因組技術(shù)（Ramanome-Guided Metagenomics；RGM），RGM首先通過(guò)單細(xì)胞拉曼光譜表征與識(shí)別細(xì)胞原位固碳功能，然后準(zhǔn)確地分選出特定固碳功能的單細(xì)胞，并與基因組測(cè)序相耦合。由于其不依賴于細(xì)胞培養(yǎng)而且不需熒光標(biāo)記細(xì)胞，因此RGM技術(shù)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(xì)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(xì)胞拉曼分選與測(cè)序一體化器件，以提高從復(fù)雜環(huán)境樣品中拉曼分選細(xì)胞的質(zhì)量和通量。他們以中國(guó)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(guò)測(cè)量海水拉曼組中各個(gè)單細(xì)胞拉曼圖譜上13C峰的動(dòng)態(tài)特征，從而分辨在海水中活躍固定與代謝無(wú)機(jī)碳的單細(xì)胞群。進(jìn)而基于“All-in-One”單細(xì)胞拉曼分選與測(cè)序器件，分選這些原位固碳單細(xì)胞群，并測(cè)定其DNA序列，以重構(gòu)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(wú)機(jī)碳的優(yōu)勢(shì)物種為Synechococcus spp.和Pelagibacter spp.，二者都含有類胡蘿卜素并且均將無(wú)機(jī)碳源中的13C整合入細(xì)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(guān)鍵基因。而且，Pelagibacter spp.擁有 -胡蘿卜素、視紫質(zhì)合成和利用回補(bǔ)反應(yīng)固碳的代謝通路。

　　作為海洋中數(shù)量最豐富的細(xì)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(shuō)紛紜。這一工作為該重大問(wèn)題的回答貢獻(xiàn)了嶄新的證據(jù)，并提出了相應(yīng)的分子機(jī)制。同時(shí)，RGM技術(shù)的建立為在各種時(shí)空尺度探討海洋微生物組“Genome-Phenome”關(guān)聯(lián)機(jī)制，奠定了方法學(xué)基礎(chǔ)。

　　上述工作由英國(guó)牛津大學(xué)工程系黃巍和中科院青島能源所單細(xì)胞中心徐健合作指導(dǎo)完成，獲得了國(guó)家自然科學(xué)基金委和中科院微生物組計(jì)劃等項(xiàng)目的支持。（文/圖  王靜）

論文：

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.

 

 

　　
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