SmT應(yīng)用：從多個(gè)共存有機(jī)體中捕獲轉(zhuǎn)錄組學(xué)信息

微生物群落在植物組織中定植，并能給植物宿主帶來(lái)適應(yīng)度優(yōu)勢(shì)，包括促進(jìn)生長(zhǎng)、吸收養(yǎng)分、承受壓力和抵抗病原體。根系健康便是這種強(qiáng)大共生關(guān)系的一個(gè)明顯例子。與人類(lèi)腸道微生物群支持消化的作用相似，一些微生物幫助植物根系從土壤中獲取營(yíng)養(yǎng)和水分，并進(jìn)行固氮。可以說(shuō)，微生物組對(duì)于植物來(lái)說(shuō)是必不可少的，因此我們希望了解潛在的分子和遺傳驅(qū)動(dòng)因素。

Sami Saarenpää博士等人開(kāi)發(fā)了一種改進(jìn)的Visium空間方法--SmT，可以同時(shí)從植物組織切片中捕獲真菌、細(xì)菌和宿主基因表達(dá)信號(hào)，同時(shí)保留空間組織。

該方法同樣可以支持對(duì)人類(lèi)和動(dòng)物組織中共存有機(jī)體的空間組織和功能關(guān)系的類(lèi)似洞察，并最終提供對(duì)微生物群落如何影響健康和疾病的不同領(lǐng)域的更深入的理解。

01.

植物菌群：由多種微生物組成的結(jié)構(gòu)化群落

真菌和細(xì)菌是最主要的植物相關(guān)菌群，盡管植物微生物生活在如此多樣化的群落中并相互作用，但卻并不是隨機(jī)組合的，而是由群落組合的一般規(guī)則構(gòu)成，并顯示出確定的系統(tǒng)發(fā)育組織。它們受到微生物、植物宿主和環(huán)境之間復(fù)雜的相互作用的控制。

微生物群落的空間組織影響它們的功能--換句話(huà)說(shuō)，就是微生物群落在支持宿主植物和生態(tài)系統(tǒng)健康方面的成功程度是受到微生物群落空間組織影響的。需要一個(gè)高分辨率的空間分子信息讀取，以了解潛在的分子和遺傳驅(qū)動(dòng)因素，不僅控制著微生物群落的結(jié)構(gòu)組裝，還有微生物-微生物和微生物-宿主的相互作用，這對(duì)植物宿主產(chǎn)生了適應(yīng)度優(yōu)勢(shì)。

02.

多模態(tài)陣列捕獲真菌、細(xì)菌和宿主轉(zhuǎn)錄本

這種需求推動(dòng)了一個(gè)由Sami Saarenpää博士等人領(lǐng)導(dǎo)的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)之間的合作，他們開(kāi)發(fā)了一種改進(jìn)的Visium空間方法，可以同時(shí)從植物組織切片中捕獲真菌、細(xì)菌和宿主基因表達(dá)信號(hào)，同時(shí)保留空間組織。這種方法被稱(chēng)為Spatial metaTranscriptomics (SmT)，該技術(shù)為研究植物、人類(lèi)或動(dòng)物組織中的微生物群相互作用提供了重要的基礎(chǔ)空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)技術(shù)應(yīng)用，因?yàn)樗鼜亩鄠�(gè)共存有機(jī)體中捕獲了轉(zhuǎn)錄組學(xué)信息。

捕獲探針的多模式陣列是啟用SmT的關(guān)鍵。該團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種真菌和細(xì)菌特異性捕獲探針的獨(dú)特混合物：16S rRNA序列捕獲細(xì)菌轉(zhuǎn)錄本，而真菌轉(zhuǎn)錄本用18S rRNA序列和一個(gè)內(nèi)部轉(zhuǎn)錄間隔 (ITS) 捕獲。

這些探針與典型的捕獲植物宿主mRNA的poly-d(T)探針一起排列在Visium捕獲芯片表面，其比例分別為45% 16S rRNA探針、45% 18S rRNA/ITS探針和10% poly-d(T)探針。這個(gè)比例不同于典型的Visium捕獲芯片，后者由100%的poly-d(T)探針覆蓋。然后，研究人員用多模態(tài)捕獲芯片對(duì)擬南芥葉片的整個(gè)切片進(jìn)行了分析，以更好地了解微生物定植局部區(qū)域的宿主基因表達(dá)變化。

03.

微生物熱點(diǎn)區(qū)域增強(qiáng)了植物的免疫力

研究小組對(duì)13片葉子進(jìn)行了空間分析，揭示了微生物的豐富程度以及獨(dú)特的組織模式。他們發(fā)現(xiàn)29個(gè)細(xì)菌類(lèi)群和23個(gè)真菌類(lèi)群的相對(duì)豐度超過(guò)1%。分析結(jié)果顯示，整個(gè)葉片表面的微生物群體中，99.9%的采樣點(diǎn)含有獨(dú)特的細(xì)菌分子，97.5%的采樣點(diǎn)含有獨(dú)特的真菌分子。盡管覆蓋范圍很廣，但總體集中在熱點(diǎn)區(qū)域，而不是均勻地分散。一些熱點(diǎn)區(qū)域甚至被細(xì)菌和真菌群落共享。通過(guò)保留這種空間背景，研究小組得出結(jié)論，共享熱點(diǎn)區(qū)域的微生物群落豐度和空間組織是微生物-微生物相互作用的決定因素。

研究小組還發(fā)現(xiàn)了微生物種群的存在也影響宿主基因的表達(dá)，特別是與植物免疫反應(yīng)相關(guān)的基因的富集，以及微生物豐度與免疫相關(guān)基因子集（包括ACD6 和CA1 ）之間的明確空間相關(guān)性。ACD6 是一種廣譜抗病基因，CA1 的產(chǎn)物結(jié)合免疫相關(guān)激素水楊酸，在病原體入侵時(shí)調(diào)節(jié)氣孔的打開(kāi)。這些發(fā)現(xiàn)揭示了宿主機(jī)體在建立對(duì)威脅和疾病的防御反應(yīng)時(shí)，局部微生物種群如何影響宿主機(jī)體的基因表達(dá)變化。

04.

微生物群落多樣性研究的未來(lái)

SmT有望解開(kāi)微生物種群和它們的植物宿主之間的復(fù)雜關(guān)系，并且用作者的話(huà)來(lái)說(shuō)，“通過(guò)從共存的有機(jī)體中捕獲信息，擴(kuò)展了多模態(tài)空間測(cè)量方法的范圍”。

SmT不僅僅是植物研究專(zhuān)屬，同樣可以支持對(duì)人類(lèi)和動(dòng)物組織中共存有機(jī)體的空間組織和功能關(guān)系的類(lèi)似洞察，并最終提供對(duì)微生物群落如何影響健康和疾病的不同領(lǐng)域的更深入的理解--從消化和代謝，到傷口愈合等。

參考文獻(xiàn)：

Saarenpää S, et al. Spatially resolved host-bacteria-fungi interactomes via spatial metatranscriptomics. bioRxiv (2022). doi: https://doi.org/10.1101/2022.07