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顶级期刊专栏 | 微生物最新研究进展

已有 3649 次阅读 2021-5-20 17:27 |系统分类:科研笔记

今天微生态汇总了近期CNS三大刊及其子刊最新的微生物领域研究成果，为了方便各位小伙伴研读，我们整理了这些文章对应的pdf文档，有需要的小伙伴可以免费领取文献包（限48h）。具体领取方式请参见文末。

Science

科研| Science：Split-pool条形码法测定微生物单细胞RNA序列

本文由弈轩编译

美国华盛顿大学华盛顿大学分子工程与科学研究所Georg Seelig等人于2020年12月17日在Science发表题为《Microbial single-cell RNA sequencing by split-pool barcoding》的文章，本研究发现了一种新的鉴定细菌基因表达的工具，是用于革兰氏阴性和革兰氏阳性细菌的高通量scRNA-seq方法——MicroSPLiT。该方法为高通量分析细菌群落中的基因表达铺平了道路，为微生物组的单细胞分析提供了可能性。

摘要：单细胞RNA测序（scRNA-seq）已成为鉴定真核生物基因表达的重要工具，但目前的方法与细菌不兼容。在这里，我们介绍microSPLiT，这是一种用于革兰氏阴性和革兰氏阳性细菌的高通量scRNA-seq方法，可以解决异质转录状态。我们将microSPLiT应用于不同生长阶段采样的超过25000个枯草芽孢杆菌细胞，从而创建了新陈代谢和生活方式变化的图谱。我们检索了与已知但罕见的状态（如能力和原噬菌体诱导）相关的详细基因表达谱，并且还鉴定了新发现且意想不到的基因表达状态，包括细胞亚群中生态位代谢途径的异质激活。MicroSPLiT为高通量分析细菌群落中的基因表达铺平了道路，否则无法进行单细胞分析，如天然微生物群。

原名：Microbial single-cell RNA sequencing by split-pool barcoding

译名：Split-pool条形码法测定微生物单细胞RNA序列

期刊：Science

IF：41.845

发表时间：2020.12

通讯作者：Georg Seelig

通讯作者单位：美国华盛顿大学华盛顿大学分子工程与科学研究所

DOI号：10.1126/science.aba5257

原文链接：

https://science.sciencemag.org/content/early/2020/12/16/science.aba5257?rss=1

科研| Science：海洋沉积颗粒物中微生物的硫酸盐还原作用和有机硫的形成

本文由小白同学编译

2020年12月17日出版的《科学》杂志发表了美国加州大学圣芭芭拉分校M. R. Raven研究组的最新研究成果。研究发现，在热带东部北太平洋的缺氧带，海洋沉积颗粒物上的微生物能够还原硫酸盐并形成有机硫，这使得更多的碳被保留下来，并维持生态系统的平衡稳定。这项研究有助于理解海洋缺氧带如何影响有机碳的循环。

摘要：气候变暖使得海洋中缺氧区域不断扩大，这可能会改变碳、硫、氮等元素的地球化学循环。然而，目前，缺氧环境影响有机碳循环和封存的作用机制还不甚明了。本研究在热带东部北太平洋缺氧带的沉积物中，发现了微生物还原硫酸盐的现象，一些微生物产生的硫化物能够迅速形成耐酸的有机硫。颗粒物上发生的硫化作用可以增强海洋缺氧带中沉积物对碳的固持能力，并在不断扩大的海洋缺氧带和大气CO₂之间起到稳定的反馈作用。相似机制可能也有助于解释在地球历史上那些更为极端的情况下，与海洋缺氧带有关的有机碳保存事件。

原名：Microbial sulfate reduction and organic sulfur formation in sinking marine particles

译名：海洋沉积颗粒物中微生物的硫酸盐还原作用和有机硫的形成

期刊：Science

IF：41.845

发表时间：2020.12

通讯作者：M. R. Raven

通讯作者单位：加州大学圣芭芭拉分校

DOI号：10.1126/science.abc6035

原文链接：

https://science.sciencemag.org/content/early/2020/12/16/science.abc6035?rss=1

Nature

科研| Nature Biotechnology：基于深度变分自动编码器优化宏基因组Binning和组装

本文由橙编译

丹麦哥本哈根大学诺和诺德基金会蛋白质研究中心Simon Rasmussen等人于2021年01月04日在Nature Biotechnology发表题为《Improved metagenome binning and assembly using deep variational autoencoders》的文章，本研究基于变分自动编码器开发了能够用于宏基因组Binning（VAMB）的软件，该软件使用深度变分自动编码器在聚类之前对编码序列共丰度和k-mer分布信息进行分析。为微生物生态研究中宏基因组学Binning的研究具有重要的应用参考价值。

摘要：尽管最近在宏基因组Binning方面相关的研究有所进展，但从宏基因组数据中重建微生物物种仍然具有挑战性。作者开发了基于变分自动编码器开发了能够用于宏基因组Binning（VAMB）的软件，该软件使用深度变分自动编码器在聚类之前对编码序列共丰度和k-mer分布信息进行分析。结果表明，变分自动编码器能够在之前对数据集没有任何了解的情况下生成两种不同类型的数据。VAMB 优于现有的其他Binning软件。此外，VAMB能够分离获得相似度高达99.5%的平均核苷酸相似度（Average Nucleotide Identity，ANI）的菌株，并且从1000个人类肠道微生物样本的数据集中重建了255个近乎完整的Bacteroides vulgatus和91个近乎完整的Bacteroides dorei特异性基因组。作者发现该数据中的2606个近乎完整的Bins表明人类肠道微生物群的物种具有不同的地理分布模式。VAMB软件说明及原始代码存储在https://github.com/RasmussenLab/vamb。

原名：Improved metagenome binning and assembly using deep variational autoencoders

译名：基于深度变分自动编码器优化宏基因组Binning和组装

期刊：Nature Biotechnology

IF：31.864

发表时间：2021.01.04

通讯作者：Simon Rasmussen

通讯作者单位：丹麦哥本哈根大学诺和诺德基金会蛋白质研究中心

DOI号：10.1038/s41587-020-00777-4

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41587-020-00777-4

科研| Nature Microbiology: 微量气体氧化剂是土壤微生物群落中广泛存在的活跃分子

本文由陶陶编译

澳大利亚维多利亚州克莱顿莫纳什大学生物科学学院Sean K. Bay等人于2021年1月4日在Nature Microbiology上发表题为《Trace gas oxidizers are widespread and active members of soil microbial communities》的文章，本研究通过宏基因组学、生物地球化学和建模方法来确定土壤微生物群落如何满足能量和碳需求，发现无机能源可能维持大多数土壤细菌存在，这对于理解不断变化的世界中的大气化学和微生物生物多样性也具有广泛的意义。

文章摘要：全球土壤微生物被认为主要是由有机碳源维持的。某些细菌也消耗无机能源，如微量气体，但它们被认为是稀有的群落成员，除非在一些营养贫乏的土壤中。在这里，我们结合宏基因组学、生物地球化学和建模方法来确定土壤微生物群落如何满足能量和碳需求。对40个宏基因组和757个衍生基因组的分析表明，超过70%的土壤细菌编码酶以消耗无机能源。来自19门的细菌编码酶，利用微量气体氢和一氧化碳作为有氧呼吸的补充电子供体。此外，我们还发现了第四门(Gemmatimonadota) 具有好氧甲烷氧化能力。与宏基因组分析一致，来自不同生境的土壤剖面中的群落迅速氧化了氢和一氧化碳，并在低于大气浓度的较低范围内氧化甲烷。热力学模型表明，由这三种气体的氧化产生的功率足以满足能够消耗它们的细菌细胞的维护需求。多种细菌还编码酶，以使用微量气体作为电子供体来支持碳固定。总而言之，这些发现表明，痕量气体氧化在土壤生态系统中具有主要的选择优势，在土壤生态系统中，首选有机底物的可用性限制了微生物的生长。无机能源可能维持大多数土壤细菌的这一发现，对于理解不断变化的世界中的大气化学和微生物生物多样性也具有广泛的意义。

原名：Trace gas oxidizers are widespread and active members of soil microbial communities

译名：微量气体氧化剂是土壤微生物群落中广泛存在的活跃分子

期刊：Nature Microbiology

IF：15.540

发表时间：2021.1.4

通讯作者：Eleonora Chiri or Chris Greening

通讯作者单位：澳大利亚维多利亚州克莱顿莫纳什大学生物医学发现研究所微生物学系

DOI号：10.1038/s41564-020-00811-w

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41564-020-00811-w

科研| Nature Microbiology：使用BiofilmQ工具定量图像分析微生物群落

本文由茗溪编译

德国马尔堡菲利普斯大学物理系、Max Planck陆地微生物研究所的Knut Drescher等人于2021年1月5日在Nature Microbiology发表题为《Quantitative image analysis of microbial communities with BiofilmQ》的文章，该研究提出了一种全面的细胞测量软件工具，可助于定量分析微生物群落。BiofilmQ用于分析各种空间结构和生长几何形状的微生物群落的荧光图像，包括微观、介观、宏观的菌落和表面上的生物膜，自由漂浮的聚集物以及真核生物宿主环境中的群落。不仅如此，它还可以分析微生物群落的大小、生长几何形状、形态、物种或荧光通道的数量。BiofilmQ包括以下3种不同的分割选项：(1)使用经典算法自动分割；(2) 即时视觉反馈支持的半手动阈值；(3) 将预分割的图像导入BiofilmQ。总之，BiofilmQ主要关注的是分割步骤后的细胞检测、数据分析和数据可视化。

摘要：生物膜是代表了地球上高度丰富的微生物群落的生命形式。一般来说，表型和基因型变异发生在生物膜的三维空间和时间内。因此，显微镜和定量图像分析对于阐明它们的功能来说是至关重要的。故在本研究中，我们提出了BiofilmQ--一个全面的图像细胞测量软件工具，用于自动和高通量定量、分析和可视化许多生物膜的内部和整个生物膜在三维空间和时间的特性。

原名：Quantitative image analysis of microbial communities with BiofilmQ

译名：使用BiofilmQ工具定量图像分析微生物群落

期刊：Nature Microbiology

IF：15.54

发表时间：2021.1

通讯作者：Knut Drescher

通讯作者单位：德国菲利普斯大学物理系、Max Planck陆地微生物研究所

DOI号：10.1038/s41564-020-00817-4

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41564-020-00817-4

科研| Nature Microbiology：开菲尔微生物群落中的代谢协作和时空生态位划分

本文由jacky编译

欧洲分子生物学实验室的Kiran Raosaheb Patil团队于2021年1月4日在Nature Microbiology上发表题为《Metabolic cooperation and spatiotemporal niche partitioning in a kefir microbial community》的文章。作者系统性地研究了开菲尔这种自然条件中复杂微生物群落间的相互作用，揭示了复杂微生物群落是如何通过时空生态位划分而趋于稳定的。这种条件下的时空生态位分离可能也适用于其他微生物系统，对破译复杂的微生物生态系统具有重要的参考意义。

文章摘要：微生物群落的组成经常发生复杂的变化，但不同物种间仍能保持稳定共存。这种长期共存的机制仍然不清楚，因为微生物群落的工程化，异地适应培养以及合成组装等因素限制了系统性的研究。在这里，作者展示了开菲尔，一种由原核生物 (主要是乳酸菌和醋酸菌) 和酵母菌 (酵母菌科) 组成的天然牛奶发酵群落，是如何通过物种和代谢物动态的时空协调实现稳定共存的。在牛奶发酵过程中，开菲尔颗粒 (一种由开菲尔微生物合成的多糖基质) 大量生长，但成分保持不变。相比之下，牛奶中微生物的定殖是按顺序进行的，早期的微生物通过提供氨基酸和乳酸等可用的代谢物为后来者提供基础。通过代谢组学、转录组学和物种间相互作用的大规模图谱，作者展示了难利用牛奶的微生物如何通过代谢合作，谷物和牛奶之间的不均匀分配在群落中生存，甚至占据主导地位。总体而言，作者的发现揭示了物种间的相互作用如何在空间和时间上分割，从而导致稳定的共存。

原名：Metabolic cooperation and spatiotemporal niche partitioning in a kefir microbial community

译名：开菲尔微生物群落中的代谢协作和时空生态位划分

期刊：Nature Microbiology

IF：15.54

发表时间：2021.1.4

通讯作者：Kiran Raosaheb Patil

通讯作者单位：欧洲分子生物学实验室 & 剑桥大学

DOI号：10.1038/ s41564-020-00816-5

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41564-020-00816-5

科研| Nature Communications：利用ProMethION的长读元基因组学揭示口腔噬菌体及其与宿主细菌的相互作用

本文由萌萌依编译

日本国立传染病研究所Koji Yahara等人于2021年01月04日在Nature Communications发表题为《Long-read metagenomics using PromethION uncovers oral bacteriophages and their interaction with host bacteria》的文章，文章使用ProMethatION对人类唾液进行了元基因组研究，识别了数百个病毒contigs，展现了对噬菌体/原噬菌体的泛基因组多样性。研究证明了利用长阅读的ProMethatION元基因组学在鉴定噬菌体及其与宿主细菌相互作用方面的潜力。

文章摘要：噬菌体(噬菌体)，或细菌病毒，包括作为人类微生物群的一部分，在世界范围内高度多样化。尽管有一些元基因组研究集中在口腔噬菌体上，但它们依赖于短读长测序。在这里，我们使用ProMethatION对人类唾液进行了元基因组研究。我们分析整合了ProMethION和HiSeq的数据，识别了数百个病毒contigs，发现分别有0-43.8%和12.5-56.3%的噬菌体和原噬菌体与之前报道的无法聚类。我们的分析展示了增强的序列骨架（scaffolding）以及将原噬菌体放入宿主基因组并进行分类的能力。此外，还鉴定了一个Streptococcus噬菌体/原噬菌体和九个巨型噬菌体/原噬菌体。86%的噬菌体/原噬菌体群和67%的巨型噬菌体/原噬菌体含有抗菌素耐药基因。对噬菌体/原噬菌体的泛基因组分析显示出丰富的多样性，分别有0.3%和86.4%的基因是核心基因和单态基因。此外，我们的研究表明，存在于人体唾液中的口腔噬菌体承受着逃避CRISPR免疫的选择压力。我们的研究证明了利用长阅读的ProMethatION元基因组学在鉴定噬菌体及其与宿主细菌相互作用方面的潜力。

原名：Long-read metagenomics using PromethION uncovers oral bacteriophages and their interaction with host bacteria

译名：利用ProMethion的长读元基因组学揭示口腔噬菌体及其与宿主细菌的相互作用

期刊：Nature Communications

IF：12.121

发表时间：2021.01

通讯作者：Koji Yahara

通讯作者单位：日本国立传染病研究所

DOI号：10.1038/s41467-020-20199-9

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-020-20199-9

科研| Nature communications：对SusCD介导的肠道共生体聚糖摄取的见解

本文由小范儿编译

英国纽卡斯尔大学医学院生物科学研究所David N. Bolam & Bert van den Berg等人于2021年1月4日在Nature communications发表题为《Insights into SusCD-mediated glycan import by a prominent gut symbiont》的文章，在这项研究中，表征了Bt1762-63 SusCD转运蛋白对β2,6果糖寡糖（FOS）的结合和摄取。结果为研究肠道优势菌的SusCD复合物导入多糖的机制提供重要的见解。

文章摘要：拟杆菌门是哺乳动物肠道的优势门之一，通过“踏板仓”运输机制，SusCD蛋白复合物通过外膜主动吸收大量营养物质。然而，SusCD在聚糖吸收中的许多功能仍不清楚，包括配体结合、SusD盖的作用和底物运输的大小限制。本文研究β-2,6果寡糖 (FOS) 通过SusCD被摄取进入拟杆菌，阐明SusCD的功能。共晶体结构揭示参与聚糖识别的残基，表明大的结合腔可以容纳几个底物分子，每个底物分子的大小可达〜2.5 kDa，通过自然质谱和等温滴定量热法结果进一步验证。体内的突变研究为SusCD装置的关键结构特征提供功能上的见识，完整的二聚SusCD复合体的cryo-EM揭示转运蛋白的几种不同状态，直接直观地展示pedal bin转运机制的动力学。

关键词：拟杆菌、运输机制、SusCD

原名：Insights into SusCD-mediated glycan import by a prominent gut symbiont

译名：对SusCD介导的肠道共生体聚糖摄取的见解

期刊：nature communications

IF：12.121

发表时间：2021.01.04

通讯作者：David N. Bolam & Bert van den Berg

通讯作者单位：英国纽卡斯尔大学医学院生物科学研究所

DOI号：10.1038/s41467-020-20285-y

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-020-20285-y#citeas

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