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作者：閆濤,，南京農(nóng)業(yè)大學(xué)碩士在讀，主要研究根際資源與根際微生物互作,。 周刊主要展示優(yōu)秀周報(bào),，每周定期為您奉上學(xué)術(shù)盛宴！本期周刊為您介紹通過(guò)宏基因組網(wǎng)絡(luò)分析確定維生素在微生物群落內(nèi)部的重要性,，原文于2023年發(fā)表在《Nature Communications》上,。
理解微生物間的互作對(duì)優(yōu)化和調(diào)控微生物組功能至關(guān)重要。傳統(tǒng)的相關(guān)性網(wǎng)絡(luò)分析基于擴(kuò)增子測(cè)序數(shù)據(jù)推斷微生物豐度和分類學(xué)信息,，無(wú)法揭示物種的功能潛力,，為了更深入地理解微生物群落中的互作，作者提出基于基因組信息的建模方法,，用于預(yù)測(cè)微生物的代謝互作,，尤其是代謝交叉供養(yǎng)的普遍性。本研究通過(guò)建微生物網(wǎng)絡(luò),，并疊加節(jié)點(diǎn)細(xì)菌代謝信息,，發(fā)現(xiàn)維生素B1的生產(chǎn)者在網(wǎng)絡(luò)中起到關(guān)鍵作用,，本研究表明將細(xì)菌功能信息疊加到網(wǎng)絡(luò)分析中，可更全面地揭示微生物群落中的代謝互作機(jī)制,，為研究復(fù)雜微生物系統(tǒng)提供了新視角,。1. 構(gòu)建微生物群落網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 作者收集了92個(gè)尾礦池環(huán)境微生物群落的宏基因組信息，構(gòu)建了基于豐度的共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò),，通過(guò)Fastspar軟件的SparCC算法,，分析309個(gè)從92個(gè)宏基因組中恢復(fù)的代表性物種基因組的正線性相關(guān)性，構(gòu)建了包含120個(gè)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò),并在該網(wǎng)絡(luò)上疊加了功能能力預(yù)測(cè),、維生素需求預(yù)測(cè),，并測(cè)試了這些預(yù)測(cè)的微生物相互作用（圖1）。
圖1：識(shí)別微生物相互作用的計(jì)算和統(tǒng)計(jì)方法示意圖作者發(fā)現(xiàn)構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)具有較低的連接性和較高的模塊化,，表明該網(wǎng)絡(luò)中具有較多的子網(wǎng)絡(luò),。作者將8個(gè)具有高中心性的節(jié)點(diǎn)定義為網(wǎng)絡(luò)樞紐（圖2a）。隨后作者將節(jié)點(diǎn)的代謝信息映射到網(wǎng)絡(luò)中,，量化了維生素生產(chǎn)者在網(wǎng)絡(luò)中的潛在重要性（圖2b,，量化方法：計(jì)算節(jié)點(diǎn)的總邊數(shù)與其連接的營(yíng)養(yǎng)缺陷型節(jié)點(diǎn)數(shù)的乘積，再除以這些營(yíng)養(yǎng)缺陷型節(jié)點(diǎn)與維生素生產(chǎn)節(jié)點(diǎn)共享邊數(shù)的平均值）,。通過(guò)該量化方法,，作者確定了多種維生素的關(guān)鍵微生物：硫胺素VB1的關(guān)鍵微生物Nitrospira、Comamonas和Variovorax,，泛酸VB5的關(guān)鍵微生物Chitinophagaceae以及核黃素VB2,、生物素VB7的關(guān)鍵微生物Rhodanobacter。 作者成功分離出一株關(guān)鍵微生物Variovorax,。因此作者之后將研究重點(diǎn)放在Variovorax為樞紐的硫胺素代謝網(wǎng)絡(luò)中（圖2b）,。在該網(wǎng)絡(luò)中，Variovorax的硫胺素中心性得分最高,。之后作者隨機(jī)模擬1000次網(wǎng)絡(luò),，重新計(jì)算Variovorax的硫胺素中心性得分，結(jié)果顯示,，Variovorax得分比均值高1.5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差（均值48.2,，標(biāo)準(zhǔn)差7.9）。因此,，Variovorax具有高中心性的原因主要是因?yàn)槠渥鳛樯贁?shù)與營(yíng)養(yǎng)缺陷型物種關(guān)聯(lián)最多的硫胺素生產(chǎn)者之一,。作者之后聚焦于與Variovorax相關(guān)聯(lián)的微生物，發(fā)現(xiàn)多數(shù)物種為硫胺素營(yíng)養(yǎng)缺陷型（圖2e）,。
圖2：網(wǎng)絡(luò)分析和硫胺素樞紐指標(biāo)評(píng)估Variovorax在共培養(yǎng)微生物中的重要性作者通過(guò)基因組研究了Variovorax硫胺素生物合成和運(yùn)輸相關(guān)基因的分布與功能,，發(fā)現(xiàn)硫胺素生物合成基因主要集中在一個(gè)受TPP核糖開關(guān)調(diào)控的操縱子中（圖3a）,。同時(shí),，Variovorax的thiL基因功能正常（合成生物學(xué)中提高硫胺素產(chǎn)量的重要基因之一）。此外Variovorax基因組編碼了多種代謝途徑，能夠利用多種糖類,、脂類和復(fù)雜的植物來(lái)源碳化合物,，同時(shí)具備硫胺素和鐵載體的合成能力,。盡管該基因組缺乏泛酸（維生素B5）的合成途徑,，但Variovorax與兩種泛酸生產(chǎn)菌存在相關(guān)性（Sphingobacteria和Kapabacteria，圖2e,、圖3b）,。
圖3：Variovorax具備硫胺素合成、代謝多樣性,、鐵載體生產(chǎn)及趨化潛力 3. 硫胺素的生物合成在Variovorax屬中具有普遍性 Variovorax因能降解復(fù)雜碳化合物而被認(rèn)為是根際微生物群落的重要中心,，但本研究發(fā)現(xiàn)其維生素生產(chǎn)能力也可能是其中心作用的原因之一。作者通過(guò)分析Genome Taxonomy Database(GTDB)中所有變形菌的基因組,，發(fā)現(xiàn)硫胺素生物合成能力在變形菌中較為稀有,，僅10%的基因組具備此能力,。Variovorax屬是其中比例最高的屬,，72個(gè)Variovorax基因組中有37.5%編碼了接近完整或完整的硫胺素生物合成途徑（圖4a、b）,，這表明Variovorax的硫胺素生產(chǎn)能力可能是其具有高中心性這一生態(tài)功能的重要特征之一,。作者進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)具有編碼多個(gè)維生素和輔因子的基因組的大小顯著大于僅編碼少于5種維生素和輔因子的基因組（圖4c）。
圖4：準(zhǔn)確硫胺素生物合成能力在Variovorax較為普遍 4. Variovorax通過(guò)分享硫胺素提升硫胺素營(yíng)養(yǎng)缺陷菌的適應(yīng)性為驗(yàn)證Variovorax是否能作為硫胺素營(yíng)養(yǎng)缺陷菌的供應(yīng)者,，作者使用一株硫胺素缺陷型酵母菌Cryptococcus進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)（圖5a）,，Cryptococcus在與Variovorax共培養(yǎng)中，其細(xì)胞密度提高約90倍,，同時(shí)Variovorax的密度增加約130倍（圖5b）,。Variovorax在添加Cryptococcus發(fā)酵液的條件下可產(chǎn)生硫胺素（圖5c），Variovorax可能是泛酸營(yíng)養(yǎng)缺陷菌,，其生長(zhǎng)在共培養(yǎng)中得到改善可能與Cryptococcus提供的泛酸有關(guān),。這表明Variovorax和Cryptococcus之間可能存在著維生素相互依賴的代謝互作。
圖5：Variovorax與硫胺素缺陷型Cryptococcus存在代謝交換 5. Variovorax在遲緩期生產(chǎn)硫胺素作者在最小培養(yǎng)基中檢測(cè)不同濃度泛酸條件對(duì)Variovorax生長(zhǎng)的影響（圖6）,。結(jié)果顯示Variovorax在初期呈現(xiàn)緩慢線性增長(zhǎng),，經(jīng)過(guò)延長(zhǎng)的遲緩期后進(jìn)入指數(shù)生長(zhǎng)期（圖7a）。遲緩期期間,，外源硫胺素以線性方式生成（圖7b）,，并在指數(shù)生長(zhǎng)開始時(shí)被迅速消耗。即使在無(wú)泛酸補(bǔ)充的情況下,，Variovorax在前144 h內(nèi)幾乎未表現(xiàn)出生長(zhǎng),，卻仍產(chǎn)生了8.4 mg/L的硫胺素，顯示其在遲緩期仍具有生產(chǎn)硫胺素的能力。
圖6：不同濃度泛酸VB5對(duì)Variovorax生長(zhǎng)及產(chǎn)硫胺素的影響本研究中作者通過(guò)網(wǎng)絡(luò)分析,、基因組解析宏基因組學(xué)及代謝通路重建相結(jié)合的方法，揭示了復(fù)雜微生物群落中的關(guān)鍵互作和維生素的交換機(jī)制,。證明了Variovorax可以產(chǎn)生并分泌硫胺素,，以支持依賴硫胺素的微生物生長(zhǎng)。能否生產(chǎn)硫胺素可能是這些細(xì)菌在許多生態(tài)系統(tǒng)中的一個(gè)重要特征,。 論文信息 原名：Vitamin interdependencies predicted by metagenomics-informed network analyses and validated in microbial community microcosms 譯名：宏基因組與培養(yǎng)組聯(lián)合預(yù)測(cè)維生素介導(dǎo)的菌群互作 期刊：Nature Communications DOI：10.1038/s41467-023-40360-4 發(fā)表時(shí)間：2023年8月 通訊作者：Jillian F. Banfield 通訊作者單位：加利福尼亞大學(xué)伯克利分校
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