微生物菌羣的「教練」:基於多菌株代謝模型設計微生物「隊伍」

自然界中存在著數量龐大的微生物,每種微生物具有特定的代謝特性。因此具有不同代謝特性的微生物成員之間可以組成功能各異的“隊伍”。生物體的代謝特性是由基因組編碼的蛋白(或酶)所催化,即存在著基因組-酶-代謝特性的遞進關係。

近日,南京農業大學生命科學學院蔣建東教授課題組發表了新的研究成果,該研究基於基因組-酶-代謝特性的關係構建了多菌株構代謝模型,揭示了基於多菌株代謝模型可以設計微生物“隊伍”,從而獲得最佳的汙染物降解菌群。也就是說,多菌株代謝模型可以作為微生物菌群的“教練”,在充分了解“隊員”的代謝特徵後,設計出高效降解汙染物的“隊伍”。

自然環境中的微生物大多是以菌群的形式存在,菌群成員之間也存在複雜的相互作用關係,這些菌群在影響生態可持續發展和人類健康的地球生物化學循環(包括元素循環、汙染物降解、食品發酵等)過程中發揮著重要作用。比如,有機汙染物的微生物降解大多是由微生物菌群中各成員催化的互補或重疊的降解過程來行使,而很少是由單個菌株獨立完成。因此,微生物菌群的組成和菌群成員之間的相互作用關係不僅影響汙染物的代謝速率,而且決定了汙染物的最終產物。然而,人們對汙染物的降解效率、微生物菌群結構、環境條件(如營養條件等)之間的關係認識還很缺乏。因此目前微生物菌群應用的實施途徑還主要依靠經驗和不斷的試錯實驗,缺乏從頭設計微生物“隊伍”的工具。

為了弄清微生物菌群、功能和環境的關係,尋找可以設計具有特定功能的微生物“隊伍”的“教練”,南京農業大學生命科學學院蔣建東教授團隊與以色列農業研究組織(ARO) Shiri Freilich博士合作,利用高通量測序技術鑑定阿特拉津降解菌群的“隊員”構成,基於基因組編碼的代謝網絡明確各“隊員”的代謝特性,通過多菌株代謝模型模擬不同“隊員”組成的“隊伍”的阿特拉津降解功能,設計出高效降解阿特拉津的“隊伍”,闡明具有直接降解功能的菌株與其他菌株之間的合作(代謝物質交換)提高了阿特拉津的降解效率,揭示了除草劑阿特拉津降解菌群的結構、功能與相互作用關係,相關結果以“Modeling microbial communities from atrazine contaminated soils promotes the development of biostimulation solutions”為題,在線發表在國際微生物生態學會會刊The ISME Journal (IF5yr=11.663)上(https://www.nature.com/articles/s41396-018-0288-5)。該論文第一署名單位為南京農業大學,生科院徐希輝副教授和以色列農業研究組織的Raphy Zarecki博士為共同第一作者,蔣建東教授和ShiriFreilich博士為共同通訊作者。

微生物菌群的“教練”:基於多菌株代謝模型設計微生物“隊伍”

多菌株代謝模型設計微生物菌群


該研究採用多菌株代謝模型,模擬並比較了包含阿特拉津降解菌株Arthrobacter和其餘4個無降解功能菌株的16種不同組合方式的菌群,表明多菌株的菌群組合在阿特拉津降解及生物量方面的表現明顯好於單菌株Arthrobacter,最佳菌群即Arthrobacter與Halobacillus和/或Halomonas的組合,菌群降解效果優的機制在於Halobacillus利用Arthrobacter降解阿特拉津產生的物質(如氨基乙醇,乙胺和次黃嘌呤)生長,並反饋代謝產物(如氨和亮氨酸)供Arthrobacter利用,促進了Arthrobacter的生長和對阿特拉津的降解。此外,外加碳源可以明顯促進菌群的阿特拉津降解速度。這些模型預測結果得到了實驗室生長降解實驗和土壤盆缽降解實驗的有效驗證。值得注意的是,雖然在阿特拉津處理土壤中Halobacillus的丰度顯著提高,但是在該土壤的富集液中並沒有檢測到Halobacillus,說明基因組代謝模型可以彌補傳統富集分析方法的侷限。該研究不僅揭示了微生物菌群高效代謝阿特拉津的機制,而且表明測序技術結合代謝模型構建可以基於計算機模擬微生物菌群結構和功能,在最佳功能菌群的人工設計方面具有很大的應用前景。


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