大连3篇ISME大讨论：只有1%的微生物可培养？

发布时间：2020-04-17 来源：大连胃肠医院

3篇ISME大讨论：只有1%的微生物可培养？

今天是第1369期日报。

ISME：对“1%的微生物可培养”说不，大部分的细菌是可培养的

ISME Journal[IF:9.493]

① 对“1%可培养范式”有三种的解释：一个群落中1%的细胞可以培养，一个群落中只有1%的类群可被培养，或假设在标准琼脂培养基上一个群落中有1%的细胞可生长；② 接受或拒绝“1%可培养性”细菌的模式取决于如何解释该模式，如何定义多样性单元，以及感兴趣的生物群落等关键细节；③ 现在是时候更新“1%的可培养性”这个历史概念，并认识到在不同的生物群落中即使是低丰度的类群，也有许多成员已经成功培养。

High proportions of bacteria are culturable across major biomes
2019-04-05, doi: 10.1038/s41396-019-0410-3

【主编评语】只有1%的微生物是可培养的，这一范式对我们理解微生物生态学产生了深远的影响，并且仍然是大多使用分子工具来描述微生物群落的主要动机。然而，这一点经常被模糊地表达，表明一些科学家对该范式有不同的见解。此外，在培养技术方面的实质性进展表明这种范式可能不再正确。为了量化六个主要生物群落中细菌的可培养性，本文作者发现，已知可培养亲缘细菌的16S rRNA相似性中值为97.3±2.3% (s.d.)。此外，52.0±24%的序列和34.9±23%的类群(定义为>97%相似性)有一个密切相关的可培养的亲缘关系。因此，许多环境中的的细胞和类群可以用已知的技术进行培养，这表明1%的范式不再正确。目前有大量研究表明，在人、动物、植物相关的微生物组中，大部分的细菌是可培养的，如水稻根中获得了近70%高丰度类群（https://www.mr-gut.cn/papers/read/1070836774）。此外培养组技术也快速发展，进一步提高可培养比例，如强大的培养组学，让可培养肠道微生物增加一倍（https://www.mr-gut.cn/papers/read/1045515144）。（@刘永鑫-中科院遗传发育所-宏基因组）

ISME：大部分细菌和古菌还没被培养

ISME Journal[IF:9.493]

① 本文认为Martiny的结论“在主要的生物群落中大部分细菌可以被培养”是基于不充分的和固有偏见的数据和分析，以及错误的逻辑；② 通常用于扩增16S rRNA基因的PCR引物偏向于某些确定的类群，完全忽略了新发现的谱系，其中一些可以从宏基因组中鉴别出来；③ 不可能仅根据16S rRNA基因序列来可靠地评估一个生物体是否“可培养”；④ 本文认为不可能知道一个微生物是否是可培养的，直到它被培养出来。

High proportions of bacteria and archaea across most biomes remain uncultured
2019-08-06, doi: 10.1038/s41396-019-0484-y

【主编评语】作者通过分析Martiny的数据（https://www.mr-gut.cn/papers/read/1057762149）开启回怼模式，首先使出杀手锏，指出他的结论是基于技术性的错误以及于一个概念上的错误，即尤其是序列相似性的计算没有考虑到序列间隔，以及对16S rRNA基因扩增子的依赖，而这些扩增子被认为偏向于可培养的生物体；以及序列相似性不能用来推断“可培养性”，因为人们不能从16S rRNA基因序列推断生理机能。可谓是唇枪舌剑，火药味十足，作者经过结合最近其他更可靠的研究，首先指出扩增16S rRNA基因的PCR引物具有偏向性，其次指出核糖体数据库项目(RDP)提供的SeqMatch工具的不完善性，并通过使用自己的分析方法重新分析Martiny的数据来证明数据库和分析选择如何影响结果，并论述自己与Martiny在其他方面的分歧点与共同点，可谓是针锋相对，刀光剑影，着实精彩，最终提出自己的观点：大多数细菌和古细菌类群仍未被培养。（@刘永鑫-中科院遗传发育所-宏基因组）

ISME：不要随便说1%的微生物可培养

ISME Journal[IF:9.493]

① 物体什么时候是相同的或不同的，取决于一个人是如何定义这个问题的，以及基于测试它的特定环境，你会得到不同的答案；② 如果你应用最常见的范式解释通常相似性定义(约97%的16S rRNA相似性)的类群，你会发现许多特别丰富的谱系已经在不同的环境中被培养的结论；③ Steen等的分析中增加罕见成员或测序错误的代表应该会导致观察到低的可培养率；④ 原绿球藻是可培养和/或已培养的吗?答案根据你的标准不同而不同。

The ‘1% culturability paradigm’ needs to be carefully defined
2019-09-24, doi: 10.1038/s41396-019-0507-8

【主编评语】生死看淡，不服就干，Martiny毫不示弱指出物体什么时候是相同的或不同的，取决于一个人是如何定义这个问题的，以及基于测试它的特定的环境，你会得到不同的答案；并指出Steen和他的同事的分析是对H2范式的测试，其分析中增加罕见成员或测序错误的代表应该会导致观察到低的可培养率，并分析指出他们对类群相似性进行狭义的定义也能得出大多数微生物类群还没有被培养。Martiny也通过海洋蓝藻、原绿球藻来举例论证，表明答案是根据你的标准而异，最后指明我们的研究方向。在参考高丰度菌种(相对丰度>0.1%)的情况下，一般在动植物相关的研究中，50-70%左右的细菌可培养已经被广泛报导，如水稻（https://www.mr-gut.cn/papers/read/1070836774）。（@刘永鑫-中科院遗传发育所-宏基因组）

单细胞基因组测序解密利用膳食纤维的未培养菌

Microbiome[IF:10.465]

① 菊粉喂养改变小鼠粪便菌群组成，拟杆菌种丰度增高，导致小鼠肠道中产生大量的琥珀酸；② 膳食菊粉补充前后，应用大规模平行单细胞基因组测序技术（SAG-gel平台），在小鼠的肠道微生物中共获得346个单扩增基因组（SAGs）；③ 质控后，SAGs被分类成267个细菌，跨越2门、4纲、7目、14科和31个不同菌株，均为中或高质量基因组草图；④ 由此成功获得优势菊粉响应者（拟杆菌属物种）的基因组，并确定其多糖利用位点及琥珀酸生成的特异性代谢途径。

Single-cell genomics of uncultured bacteria reveals dietary fiber responders in the mouse gut microbiota
01-23, doi: 10.1186/s40168-019-0779-2

【主编评语】文章利用单细胞基因组测序技术（SAG-gel）分离并检测了响应膳食纤维干预的菌群，并可据此对其功能进行推断分析。这项技术可以很大程度地解密未培养菌的功能特点，助力膳食-菌群-代谢性疾病研究。（@兵兵）

仅仅依靠16S rRNA基因可否将微生物图谱描绘到菌株水平？

Nature Communications[IF:11.878]

① 近十年来16S rRNA基因一直是描绘微生物群落的主力军，直到最近几年，16S rRNA基因高通量全长测序才成为现实；② 通过模拟数据和真实测序结合分析，发现测定16S rRNA基因的部分区域普遍达不到全长测序对微生物群落的分辨率；③ 全长测序足以分辨16S rRNA基因拷贝之间的碱基突变（不包括插入和缺失）；④ 也就是说对全长测序结果进行适当的处理足以将微生物群落描绘到种和菌株水平。

Evaluation of 16S rRNA gene sequencing for species and strain-level microbiome analysis
2019-11-06, doi: 10.1038/s41467-019-13036-1

【主编评语】虽然部分16S rRNA基因区域对微生物的分辨率与全长相当，但仅仅对有限的种群，对于描绘数量庞大微生物群落仍然停留在属及以上的水平。Illumina的短读长的测序和过去罗氏454测序都无法得到16S rRNA基因全长序列。Sanger测序可以满足读长的要求，却在通量上远远不够。目前，以Nanopore和PacBio为代表的三代测序技术方兴未艾，让16S rRNA基因全长高通量测序走向现实。高通量测序全部可变区的序列必将改变我们对微生物群落的认识。这是否可以描绘到我们关心的种和菌株水平？本文将给出答案。（@刘永鑫-中科院遗传发育所-宏基因组）

中科院微生物所联合70位学者共同修订真菌界担子菌门分类系统

Fungal Diversity[IF:15.596]

① 担子菌门是真菌界的一个主要门，在种类数量上仅次于子囊菌门，其物种数占真菌界1/3，四万余种；② 担子菌门真菌在自然生态系统中和大部分植物形成外生菌根菌，是最主要的木质纤维素分解者；③ 作者在多基因及基因组层面对整个门的系统发育关系进行了梳理，并估算了担子菌门内亚门、纲、目、科的演化时间范围；④ 作者通过整理获得目前最完整的担子菌门分类系统：包括4个亚门、18个纲、68个目、241个科和1928个属，共41270个种。

Notes, outline and divergence times of Basidiomycota
2019-11-27, doi: 10.1007/s13225-019-00435-4

【主编评语】中国科学院微生物研究所为第一单位，联合培养生贺茂强为第一作者，赵瑞琳研究员为唯一通讯作者，联合国内外70位作者，于2019年11月发表于Fungal Diversity的文章，其集结了近十年来担子菌门分类研究的新进展，在多基因及基因组层面对整个门的系统发育关系进行了梳理，并估算了担子菌门内亚门、纲、目、科的演化时间范围，还对担子菌门中的已知3198个属名进行梳理，通过3000余篇文献查阅结合本研究结果认定其中1261个异名或不合格发表名称，1928个为合法属名，并将这些合法属依次归入所属科、目、纲和亚门，并且整理提供了每个合法属的各类信息包括分类地位、物种数、模式种、生活类型、生境、分布地、DNA数据以及系统发育等，进一步完善分类系统的各类信息。（@刘永鑫-中科院遗传发育所-宏基因组）

南农张瑞福团队：放牧引起草原微生物组变化，驱动土壤有机碳的转化和生产力的提升

Microbiome[IF:10.465]

① 放牧能显著影响草甸草原土壤微生物群落和生态系统功能；② 放牧使土壤微生物从以慢速生长的微生物类群主导、以真菌食物网为主（主要利用难降解有机碳）的微生物群落向以快速生长的微生物类群主导、以细菌食物网为主（主要利用易降解有机碳）的微生物群落演变；③ 土壤细菌的群落稳定性和活性稳定性与细菌α多样性显著相关，但真菌并非如此；④ 该研究强调了土壤微生物α多样性在指示草甸草原生态系统功能中具有重要的积极作用。

Grazing-induced microbiome alterations drive soil organic carbon turnover and productivity in meadow steppe
2018-09-20, doi: 10.1186/s40168-018-0544-y

【主编评语】中国农业科学院农业资源与农业区划研究所微生物资源收集保藏与发掘利用团队和草地生态遥感团队最新研究，揭示了不同放牧强度影响草甸草原土壤生产力的微生物学机制，为指导合理调节我国温带草原放牧强度、防止草原退化提供了理论依据。放牧是草原生物多样性和生产力的主要调节因素，这种调节作用主要通过“自上而下”（植物→土壤→微生物）再“自下而上”（微生物→土壤→植物）的影响作用形成。放牧会显著影响草地土壤微生物群落。然而，放牧对地下的菌群组成和代谢过程的影响及对土壤生产力的驱动机制还缺乏较全面的研究。本研究利用长期封闭的草甸草原进行不同强度的放牧观测试验，揭示了不同放牧强度对草地土壤微生物群落组成和活性的影响，进而驱动土壤有机碳周转和土壤生产力变化，阐明了微生物群落对土壤生产力的驱动机制。（@刘永鑫-中科院遗传发育所-宏基因组）

土壤微生物群落对有机和无机土壤改良剂和细菌入侵的恢复力

Microbiome[IF:10.465]

① 有机蔗渣是微生物、营养物质和有机质的来源，这些因素的组合驱动了土壤微生物群落的变化;② 抵抗力定义为群落对扰动不敏感的程度，恢复力是群落在受到扰动后恢复到原有组成的现象，功能冗余是指即使群落组成是敏感的、不具有恢复力或抵抗力，其功能仍然与原始群落相似;③ 蔗渣与无机氮同时施用与施氮前30天添加蔗渣后，土壤微生物群落发生了相似的变化;④ 土壤微生物群落对蔗渣和无机氮的施用具有较低的抵抗力，但具有很强的恢复力。

Resilience of the resident soil microbiome to organic and inorganic amendment disturbances and to temporary bacterial invasion
2018-08-13, doi: 10.1186/s40168-018-0525-1

【主编评语】蔗渣是甘蔗生产乙醇的副产品，常被甘蔗种植园作为肥料回收利用。但蔗渣的化学和微生物组成对土壤微生物群落动力学的影响尚不清楚。本文评估了在甘蔗生长季(389天)内，有机蔗渣、无机氮或两者的组合应用引起的多次扰动后，土著土壤微生物群落的恢复情况。此外，还评估了土壤微生物群落对蔗渣微生物群落的抗性。揭示了在甘蔗生长周期内，土壤细菌群落动态对有机肥和/或无机肥料施用的响应。（@刘永鑫-中科院遗传发育所-宏基因组）