破译复杂群落和环境中单个微生物的活动仍然是一个挑战。

2024年6月12日，浙江大学孙会增及王永成共同通讯在Nature Microbiology 在线发表题为“Single-cell transcriptomics across 2,534 microbial species reveals functional heterogeneity in the rumen microbiome”的研究论文，该研究使用了基于液滴的单细胞RNA测序和基于泛基因组的计算分析来描述微生物组单细胞转录组学的发展，以表征瘤胃微生物组的功能异质性。该研究建立了一个微生物基因组数据库(牛胃微生物基因组图谱)，作为构建瘤胃微生物组单细胞转录组图谱的功能参考图谱。

该图谱包括174,531个微生物细胞和2,534个物种，其中172个是核心活性物种，分为12个功能簇。该研究检测到单细胞水平的功能作用，包括Basfia succiniciproducens在瘤胃微生物组碳水化合物代谢生态位中的关键作用。此外，还探索了B. succiniciproducens的功能异质性，揭示了由生物膜形成途径基因驱动的代谢生态位轨迹。该研究结果为研究瘤胃微生物组提供了资源，并说明了单个微生物细胞在生态系统中驱动其生态位稳定性或适应性的不同功能。

多年来，微生物组研究在与培养无关的元组学方法的推动下取得了巨大进展。宏基因组分箱技术已经成为探索不可培养微生物基因组(即宏基因组组装基因组(MAGs))的里程碑，使人们能够更深入地了解复杂微生物环境的功能。然而，功能冗余和微生物异质性的发现是获得突破性见解的主要挑战。需要新的方法来解决微生物研究中的分辨率(单细胞功能异质性)，有效性(RNA功能)和准确性(高通量)问题。

单细胞微生物学技术已经成为潜在的解决方案。然而，他们无法识别活性功能和表达基因。使用单细胞RNA测序(scRNA-seq)检测个体基因表达模式对于阐明微生物细胞中这种异质性的机制至关重要。微生物scRNA-seq已经取得了许多成果，包括通过标记RNA原位测序的原核表达谱(PETRI-seq)、微生物分裂池连接转录组学(microSPLiT)、真核细菌基于液滴的scRNA-seq (BacDrop)和基于液滴的高通量单微生物RNA-seq (smRandom-seq)。然而，这些方法主要关注具有已知成员的简单合成微生物群落的细胞异质性。在具有大量未知和不可培养成员的复杂微生物环境中，探索特定生物体的积极功能作用仍然存在巨大的技术和知识差距。因此，迫切需要更好的微生物组scRNA-seq工具，可以应用于不可培养或特征不足的微生物生态系统。

MscT的整体工作流程（图源自Nature Microbiology ）

瘤胃微生物群是最复杂和未被充分研究的微生物栖息地之一，它负责降解不可食用的植物生物量以生产高质量的蛋白质产品(肉和奶)，同时产生相当大的环境问题。瘤胃微生物组是一个复杂的环境，泛基因组信息和转录数据有限。由于其复杂的分类、巨大的功能冗余和严格的厌氧性质，目前对瘤胃微生物组的了解仍然有限，仅限于Hungate1000项目和一些宏基因组分类研究。

该研究以瘤胃微生物组为理想模型，通过对奶牛的瘤胃宏基因组测序和收集公开的培养的瘤胃微生物基因组和 MAGs，建立了一个瘤胃微生物泛基因组参考(牛胃微生物基因组图谱(BGMGM))。通过整合基于随机引物的微滴scRNA-seq和基于bgmgm的计算分析，开发了微生物组单细胞转录组学(MscT)来揭示瘤胃微生物群的单细胞功能。该研究不仅对微生物学研究技术具有创新意义，而且对解决生态动力学、酶资源勘探和木质纤维素生物燃料的大规模工业化生产等全球性问题具有创新意义。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41564-024-01723-9