土壤微生物组——从宏基因组学到宏表型组学

本文转载自“微生态笔记”，己获授权。

摘要

土壤微生物主导着包括植物生长和碳等元素循环在内的各种重要过程。但是大部分土壤微生物目前还不能分离培养，它们的功能还处在未知状态。尽管现在宏基因组测序能够揭示微生物的物种信息和功能基因信息，但是这包含了很多不同生理状态下的微生物DNA。而且通过宏基因组学基因的功能只能预测微生物群落的潜在能力。而宏表型组整合了微生物组的基因潜力和对资源的利用，将会是下一个用于研究的前沿方法。在这里我们将举一些例子帮助理解土壤宏表型组。

 

1. 什么是宏表型组

图1  宏表型组

我们定义宏表型组（Metaphenome）为微生物基因组（宏基因组）编码表达的功能和环境（资源可利用性、空间、生物性和非生物性限制）之间的“和”。

据我们所知，宏表型组这个词之前只被用过一次——Doolittle将宏基因组定义为群落的基因组，通过表达后成为“宏表型组”（Doolittle et al., 2010）。

土壤宏表型组取决于土壤宏基因组编码的基因总潜能和土壤生物群落的生理状态、对资源的利用、与其他生物体和信号分子的联系、响应环境信号后的基因潜能。

所以，宏表型组涵盖了整个组学（Omics）领域（图1），既包括宏基因组，也包括宏转录组（表达的基因）、宏蛋白组（翻译的蛋白）和宏代谢组（代谢产物）。

高度结构化的土壤环境从根本上影响了土壤宏表型组，从而导致了电子受体和氧化还原化学反应的可利用度和在时间和空间上的强烈变化。

因此，土壤宏表型组的测量和预测还存在相当大的挑战。为了弄明白宏表型组，我们将总结当前的研究状况和知识缺口，并讨论宏表型组的未来发展。

 

2. 土壤结构和连通性(Connectivity)对土壤宏表型组的影响

了解不同生态系统中微生物群落的功能对理解宏表观组非常重要，其中复杂的土壤环境非常具有挑战性。

由于土壤中碳以及其他资源的斑块化分布和高度动态性，土壤环境呈现出空间上的异质性，导致了适合微生物群落生长的热点（比如说在团聚体或者根际）的不均匀分布。这些热点相当于一个个适合微生物生长的微型“孤岛”，微生物聚居在这些“孤岛”上。不同“孤岛”中的微生物通过不同的机制相互作用，各自演化，形成了一定的空间隔离。这样的空间隔离可能是导致大部分土壤栖息地中微生物多样性极高的原因。要了解微生物和资源的小尺度分布需要预测微生物群落中的物种生理机能和代谢相互作用，而这些组成了土壤宏表型组。

目前大尺度上的测量手段（比如土壤呼吸）掩盖了各个独立的“孤岛”中相互作用的微生物之间发生的分子反应（图2）。比如说当土壤变得干旱时，微生物的扩散更加受到限制，微生物被更大程度地限制在“孤岛”中。环境变化如何影响微生物代谢功能在种群内的分配或者用于调控其他种群，以及微生物对环境变化的这些响应如何与土壤宏表型组联系起来，还处于知之甚少的状态。

图2 生物因子和环境因子对土壤宏表型组的影响   

 

3. 微生物生理状态对土壤宏表型组的影响

微生物个体在生理层面上响应环境变化的总和（包括基因调控和细胞间的相互作用）就是群落宏表型组对环境变化的响应，而这些响应又是群落的基因表达对资源可利用性作出反应的基础。

在基因表达链的每一步中，都包含微生物组生理状态的不同信息，宏转录组能捕获群落对环境短暂变化的响应，而宏蛋白组能体现群落对一个时期内环境的总体状态的响应。土壤微生物个体对环境变化的响应受到基因的调控，从而导致一系列的生理变化，包括细胞膜脂肪酸的变化、特殊蛋白的产生（比如冷/热休克蛋白）和呼吸作用的下降。

在不同的环境条件下被表达的基因不同，调控一些特定的代谢途径的基因只有在需要的时候才会表达，而宏基因组测序测的是包括未表达的基因在内的所有基因。一般来说，当微生物进入低活动状态或者休眠状态时，宏基因组对宏表型组的贡献要比在高代谢状态时低得多。

4.群落相互作用对宏表型组的影响

在群落水平，土壤宏表型组涵盖了群落中所有成员的总代谢产物。比如纤维素的降解需要一系列的微生物来完成，不同微生物降解纤维素降解过程中产生的不同中间产物。当一种微生物具有将纤维素降解为葡萄糖的所有酶时，其他微生物肯定会来竞争纤维素降解过程中的第一步中间产物，从而可能影响到这种微生物的纤维素相关基因的表达（Fitness）。纤维素或者其他碳源物质的降解过程或者其他土壤过程中，土壤微生物的代谢相互作用形成了既定的宏表型组，但这其中的细节目前还是未知。即使将宏基因组学应用得再深入，考虑到在给定生态系统中环境条件的变化以及基因的潜在表达，去弄清楚相互作用的生物体对环境条件的生理响应如何定义涵盖这些响应的宏表型组，依旧是一个极大的挑战。

此外生态网络理论可用于预测物种的相互作用和单一微生物群落的稳定性。微生物的相互作用包括从共生微生物的代谢合作关系到对有限的营养物质的竞争关系（图3）。土壤微生物通过一系列的化学信号分子与其他微生物以及环境进行交流。土壤微生物群落内成员之间的特定的代谢相互作用和信号交流，包括跨营养级的交流，目前研究很少。土壤具有很高的生物多样性，包括细菌、古菌、真菌、病毒、植物、昆虫、原生动物等等。这些不同的土壤生物在食物网中相互作用、分解复杂的有机化合物以及交换营养物质。

为了推动土壤微生物组研究的发展，需要创新的方法来揭示极度复杂的土壤微生物组内无数相互作用的细节和不同生物界内/间的相互作用——也就是土壤宏表型组。

图3 微生物群落类型和分子相互作用

 

5. 对宏表型组的未来展望

宏表型组可用于解开复杂的微生物代谢相互依存关系。微生物代谢相互作用的复杂性会导致单个生物体有不同的生理表型，目前还无法弄清楚这其中的细节。不过目前宏基因组学研究和建模可以破译单个细菌中的特定代谢途径，不久的将来可以预测土壤微生物群落成员间的代谢相互依存关系。

另一种引人注目的方法是，将复杂的土壤微生物组分解成离散的功能单位或者功能族群，标注为特定的表型（纤维素分解、甲烷生成、硫酸盐还原等），用于更详细地理解代谢的相互作用。这个可以通过人工合成群落或者在含有特定营养物质的液体培养基中富集培养来实现。鉴定群落表型的未来机遇将是在土壤环境中构建自然进化和易处理的土壤聚生体模型，这可用于研究自然栖息地中微生物间的代谢相互作用、空间相互作用和化学信号传导。此外，微流控（Microfluidics）也可用于对土壤微生物组进行实验性操作，以确定微生物特定的代谢相互作用的机制，从而了解和预测环境梯度对微生物特定功能的影响与精确的时空效应。微流控技术结合显像技术，可以将微观尺度上土壤空间异质化背景下微生物之间的特定相互作用可视化。

现在稳定同位素（SIP）和多组学方法可用于研究微生物具有的功能，即宏表型组。

而宏转录组学、宏蛋白组学和宏代谢组学的应用也有助于填补我们对关于基因转录、翻译方面的知识空白，以及在给定资源的土壤环境中可能发生的代谢相互作用。

尽管如此，仍然有许多巨大的挑战需要克服，比如功能基因注释、大分子（代谢产物、蛋白等）的纯化和鉴定等。未来，读长更大的高通量测序技术和质谱分析技术的进步、更好的基因组组装算法及计算能力更高的计算机的应用，可以得到接近完整的宏基因组数据及其基因表达数据（宏转录组和宏蛋白组）和代谢表型数据，从而能够更好地阐明土壤宏表型组的细节。

 

6. 小结

个体微生物的代谢表型包括群落成员的总代谢产物，共同形成了土壤宏表型组在更大尺度上的呈现。在高多样性和高度复杂的土壤微生物群落中，解释土壤宏表型组涉及的微生物基因组及其表达产物的整体变化，需要将基因表达机制的细节和土壤属性联系起来。正在发展中的宏基因组学结合高通量技术、建模以及宏代谢组学结合SIP、成像技术，有望能够更好地分辨和追踪土壤生物体中信号分子、代谢物的交换过程，实现从宏基因组到宏表型组的过渡。这对于预测环境扰动对具有关键功能的土壤微生物群落的影响及其反馈具有重要的意义。

 

参考文献：

1. Jansson J K, Hofmockel K S. The soil microbiome—from metagenomics to metaphenomics[J]. Current opinion in microbiology, 2018, 43: 162-168.

2. Doolittle, W. F., O. Zhaxybayeva. 2010. Metagenomicsand the Units of Biological Organization. Bioscience,60: 102-112.

 原文链接：https://www.osti.gov/pages/biblio/1422511

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