來源：生物世界 浙江大學動物科學學院奶業科學研究所孫會增課題組與浙江大學良渚實驗室王永成課題組合作，在 Nature Microbiology 期刊發表了題為：Single-cell transcriptomics across 2,534 microbial species reveals functional heterogeneity in the rumen microbiome 的研究論文。 該研究利用單細胞RNA測序技術和微生物泛基因組分析，成功揭示了奶牛瘤胃微生物的原位活性功能類群。這一研究不僅深化了對瘤胃微生物組的理解，也為未來微生物學研究提供了新的方法和視角。 為了填補瘤胃微生物組中活性功能類群的研究空白，研究團隊開發了一種全新方法——微生物組單細胞轉錄組學技術（Microbiome single-cell Transcriptomics，MscT），構建了目前最全面的牛胃腸道微生物基因組圖譜（Bovine Gastro Microbial Genome Map，BGMGM）作為參考數據集，利用基于隨機引物和微流控的微生物單細胞RNA-Seq技術測定瘤胃內容物中微生物單個細胞的基因表達情況，通過基準測試多物種（多基因組）單細胞降維聚類算法進行活性功能類群鑒定和代謝機制解析。該方法不僅適合于動物乃至人類消化道，還適用于其他缺少參考基因集的復雜環境微生物組中單菌活性功能的研究，為微生物組研究開拓了新的方向。 基于MscT，研究團隊構建了一個涵蓋17,4531個微生物細胞和2,534個物種的瘤胃微生物單細胞轉錄組圖譜，揭示了瘤胃微生物在單細胞水平上的功能分工；共鑒定出12個功能類群，每個類群由表達特定代表性功能基因的細胞組成。例如，功能類群“HSP90+ HMACs”中的細胞特異性表達HSP90蛋白，這些基因與ATP利用相關，表明該類群具有高代謝活性。在識別出的172個核心活性物種中，有164個物種分布在多個功能類群中，其中38個物種存在于全部功能類群中；同時，部分物種被發現主要分布于特定功能類群，例如Desulfovibrio sp016284885主要參與硫代謝，而Sodaliphilus sp900318205則主要參與脂類代謝。不同微生物物種在不同功能類群中表現出特定的活性，反映了其生態功能的多樣性。 鑒于瘤胃微生物群在碳水化合物（特別是纖維素、果膠）代謝過程中發揮了重要作用，研究團隊進一步在碳水化合物代謝通路中探究了關鍵活性功能類群的代謝特征。研究發現，HSP90+ HMACs功能類群在瘤胃中具有高代謝活性，其總代謝活性和碳水化合物代謝活性顯著高于其它類群，在將復雜碳水化合物轉化為簡單糖類（如葡萄糖）的過程中起到關鍵作用。該研究對HMACs進一步降維聚類，獲得了10個功能亞類群，揭示其在碳水化合物代謝途徑中的明顯異質性。例如，以往研究認為果膠生成丙酸途徑是飼喂非常規飼料日糧下奶牛泌乳性能低下的限制性通路，本研究發現在降解果膠生成丙酸的4個連續過程中，Integrase+ HMACs功能亞類群代謝丙酮酸生成琥珀酸的活性最高，而其它3個過程中活性功能較低。同時，在該亞類群中Basfia succiniciproducens作為代謝活性最高的物種，其細胞在這4個連續過程中顯示出一致的代謝功能變化趨勢。這些結果表明，雖然Integrase+ HMACs功能亞類群總體代謝活性不高，但在關鍵代謝過程中發揮核心作用，且這一功能亞群中Basfia succiniciproducens物種顯示出一致的代謝功能變化趨勢，提示通過功能亞類群探究物種代謝功能變化軌跡的可行性。 在此基礎上，該研究提取了5591個Basfia succiniciproducens的細胞深入探究其代謝功能變化軌跡，基于瘤胃微生物從底物到最終產物的生物學過程，預測細胞代謝狀態變化軌跡為：“從初始軌跡（Multi signal cells）到軌跡1（Transposase+ Formate/nitrite TCs）和軌跡2（Integrase+ cells）”，擬時序差異基因分析證實了這種轉化。結果發現，軌跡1細胞的“丙酮酸到乙酰輔酶A”代謝活性顯著較高，而軌跡2細胞的“丙酮酸到琥珀酸”代謝活性顯著較高。丙酮酸是碳水化合物代謝的關鍵中間物質，其代謝過程與瘤胃微生物氫代謝密切相關，丙酮酸代謝生成琥珀酸可降低氫的生成，對瘤胃甲烷減排意義重大。以上結果提示，基于基因表達的微生物細胞狀態變化在代謝表型研究中具有巨大潛力。 該研究利用MscT技術，通過基于BGMGM的泛基因組功能基因比對策略，揭示了瘤胃微生物生態系統原位活性代謝功能類群，表征了Basfia succiniciproducens等核心微生物物種細胞在碳水化合物代謝過程中的重要功能和關鍵動態特征。這項研究不僅在技術上取得了重要進展，為微生物學研究提供了重要資源，在通過瘤胃微生物組調控反芻動物生產和健康，解決全球生態動態、酶資源探索和生物燃料大規模工業生產等方面也具有廣泛的應用前景。 浙江大學動物科學學院為第一完成單位，博士生賈明輝和朱森林、博士后薛茗元（現為湘湖實驗室研究員）為論文共同第一作者，孫會增研究員和王永成研究員為論文共同通訊作者，劉建新教授和陶曄博士在本項研究中給予大力支持。該研究獲得了國家優秀青年科學基金，國家重點研發計劃青年科學家項目、國際合作項目，浙江省杰出青年科學基金項目、領軍型創新團隊項目等資助。