中山大學荒漠特殊生境微生物暗物質資源研究發NPJ

沙漠占據地球陸地表面的三分之一，是微生物生物多樣性的潛在重要庫，但大多數沙漠微生物仍未被描述，被視為“微生物暗物質”。在這里，我們介紹了一種多組學策略，即基于文化組學的宏基因組學（CBM），它集成了大規模培養，全長16S rRNA基因擴增子和鳥槍式宏基因組測序。結果表明，CBM通過提高擴增子序列變異（ASV）和高質量/中等質量宏基因組組裝基因組（MAG）的回收率，捕獲了直接測序中遺漏的大量分類和功能多樣性。重要的是，煤層氣允許事后恢復感興趣的微生物（例如，新型或特定的分類群），即使是那些在培養物中豐度極低的微生物。此外，基于煤層氣和直接測序的菌株水平分析表明，沙漠土壤中蘊藏著相當數量的新型候選細菌（1941年，51.4%），其中1095種（來自煤層氣）是可培養的。然而，CBM不能準確反映原位環境中真實微生物組成和功能途徑的相對豐度，其使用與直接宏基因組測序相結合，可以更深入地了解沙漠微生物組。總體而言，本研究以高分辨率體現了CBM策略，是深入探索荒漠土壤中未開發的新型細菌資源的理想途徑，并大大擴展了我們對隱藏在廣袤沙漠中的微生物暗物質的認識。

介紹

沙漠是地球上最大和研究最不足的生物群落之一，約占全球陸地表面總量的三分之一1，是地球微生物多樣性的重要寶庫2.沙漠微生物在維持生態穩定和生物地球化學循環方面發揮著重要作用。對沙漠生態系統的微生物生物多樣性、組成和功能進行剖析將有助于了解旱地生物帶來的全球變化、威脅和機遇。3.此外，許多研究表明，沙漠棲息地中多樣化的微生物群落可以產生一系列令人印象深刻的新型生物活性化合物，包括抗菌、抗炎、抗腫瘤和抗群體感應候選藥物等。4,5,6,7,8.然而，由于生態位特化程度強，取樣困難，常規培養方法適應性有限，大部分沙漠微生物在實驗室中被忽視培養和表征9.微生物多樣性的這一大塊但尚未得到充分開發的部分代表了大量未充分開發和未表征的生物資源，俗稱“微生物暗物質”10,11，這是微生物生態學和生物資源開發的根本障礙12,13.

宏基因組方法（例如，16S擴增子和鳥槍測序）提供了相對簡單和快速的方法來分析微生物群落的分類組成和功能潛力，并在無需培養的情況下恢復全基因組序列14.最近對沙漠微生物組的宏基因組學調查大大促進了我們目前對全球沙漠中微生物種群組成和功能的理解。15、16、17 ，如阿塔卡馬沙漠18,19,20,21， 納米布沙漠22、23、24 ， 內蓋夫沙漠25,26， 古爾班通古特沙漠27和極地沙漠28,29為進一步深入勘探荒漠微生物資源奠定了重要基礎。然而，來自環境樣本的宏基因組數據的有用性在很大程度上取決于群落的復雜性和生物量、測序技術和參考數據庫等。30、31、32 ，這可能導致遺漏某些特定分類群，例如豐度低的分類群。

培養組學將多種培養條件與16S rRNA基因擴增子測序和/或其他技術相結合，大大提高了我們對可培養微生物多樣性的理解33,34.盡管培養組學在獲得微生物純培養物方面具有很大的實用性，但它通常被認為是勞動和資源密集型方法，并且可能忽略微生物群落中重要的特定目標群體35.因此，通過系統培養組學生成全面的菌株收集仍然是一個重要且尚未解決的挑戰36.

值得注意的是，選擇性培養物富集策略以降低群落復雜性可能有助于特定環境生物群落的宏基因組研究14（例如，腸道37,38).然而，沒有研究聯合使用培養組學和富含文化的宏基因組測序來研究沙漠微生物組。鑒于現有知識，我們假設基于大規模培養方法和高分辨率分析的富含培養物的宏基因組測序能夠在很大程度上填補直接測序中土壤微生物組的缺失部分。綜合考慮，我們的主要目的是評估培養組學和宏基因組學相結合的多組學策略在荒漠土壤微生物組研究中的有效性和前景，并為探索荒漠土壤中的微生物暗物質提供新的視角。

以沙漠土壤中微生物暗物質的挖掘為例，我們提出了一種融合培養和宏基因組方法（全長16S擴增子和鳥槍測序）的綜合策略，即基于文化組學的宏基因組學（CBM）（圖）。1）. 本研究結果揭示了荒漠土壤中新型細菌資源未開發潛力的未被描述的景觀，并證明了CBM在提高荒漠微生物組的分類和功能分辨率方面的巨大優勢，這將擴展對隱藏在沙漠中的微生物暗物質的認識。