基于培养组的宏基因组学揭示沙漠土壤中的微生物暗物质

沙漠占地球陆地表面的三分之一，是微生物多样性的重要潜在储存库。然而，大多数沙漠中的微生物尚未被表征，被视为“微生物暗物质”。为了深入挖掘这些未培养的微生物资源，有研究团队提出一种多组学研究策略——基于培养组学的宏基因组学（Culturomics-based Metagenomics，CBM），该方法结合了大规模微生物分离培养与宏基因组测序技术（包括全长16S rRNA基因和鸟枪法测序），与直接测序相比，CBM能够显著增加扩增子序列变异（ASVs）和高质量/中等质量宏基因组组装基因组（MAGs）的恢复率。

图1 . 实验设计示意图

本研究通过实验探索裸土与沙拐枣（Calligonum leucocladum）根际土壤中微生物的多样性。首先，选定两份代表性土壤样本，并接种至60种不同培养基上，分别在15℃、30℃、45℃三个温度条件下培养，形成六个亚组（BCL、BCM、BCH对应裸土，RCL、RCM、RCH对应根际土），共获得360个培养富集物。随后，采用PacBio SMRT技术对原始土壤样本及所有培养富集物进行全长16S rRNA基因测序，共收集到3,666,324个有效序列（CCSs）。分析显示，原始裸土与根际土样本中分别检测到6,299和6,328个有效CCSs，而培养富集物平均包含更高密度的多样性（10,121个CCSs）。进一步分析产生了3,779种不同的扩增子序列变体（ASVs），表明微生物种类丰富。

结合基于培养组的宏基因组学（CBM）与直接宏基因组测序，揭示了沙漠土壤中存在大量候选细菌新分类单元（共1941个，占比51.4%），其中1095个新分类单元通过培养方法成功获得。这一发现凸显了CBM在发现新微生物资源方面的有效性及与宏基因组测序相结合可更全面、深入地了解沙漠微生物组。

综上所述，将高分辨CBM与宏基因组测序结合，深入剖析沙漠土壤微生物暗物质，显著提升沙漠微生物组的分类与功能解析能力。CBM不仅增强了对微生物多样性的认识，还能在宏基因组指导下恢复特定微生物，揭示沙漠中丰富的细菌新资源潜力。此外，多重培养条件实验为分离特殊细菌类群提供重要线索。这些数据深化了对沙漠微生物群落、相互作用、环境适应及基因库的理解。

参考文献： Capturing the microbial dark matter in desert soils using culturomics-based metagenomics and high-resolution analysis.

Doi: https://doi.org/10.1038/s41522-023-00439-8.