2024年6月12日，浙江大学动物科学学院奶业科学研究所孙会增课题组与浙江大学良渚实验室王永成课题组联合在Nature Microbiology上在线发表了题为Single-cell transcriptomics across 2,534 microbial species reveals functional heterogeneity in the rumen microbiome的文章，利用单细胞RNA测序技术和微生物泛基因组分析，成功揭示了奶牛瘤胃微生物的原位活性功能类群。这一研究不仅深化了对瘤胃微生物组的理解，也为未来微生物学研究提供了新的方法和视角。
瘤胃微生物群是反刍动物（如牛、羊等）消化系统中至关重要的组成部分，能将植物纤维和其他难以消化的物质转化为可吸收的营养成分，为机体提供70% ~ 80%的能量来源。解码菌群中单菌的活性功能是揭示复杂微生组真实作用的关键，然而，瘤胃微生物功能冗余和基因选择性表达制约了个体活性功能的表征，导致瘤胃微生物组中有什么活性功能类群，这些功能类群的物种组成及功能特征如何等尚未可知。为了填补这个空白，研究团队开发了一种全新的研究方法——微生物组单细胞转录组学技术（Microbiome single-cell Transcriptomics, MscT，图1），即构建了目前最全面的牛胃肠道微生物基因组图谱（Bovine Gastro Microbial Genome Map, BGMGM）作为参考数据集，利用基于随机引物和微流控的微生物单细胞RNA-Seq技术测定瘤胃内容物中微生物单个细胞的基因表达情况，通过基准测试多物种（多基因组）单细胞降维聚类算法进行活性功能类群鉴定和代谢机制解析。该方法不仅适合于动物乃至人类消化道，还适用于其他缺少参考基因集的复杂环境微生物组中单菌活性功能的研究，为微生物组研究开拓了新的方向。
微生物组单细胞转录组研究流程（Credit: Nature Microbiology）基于MscT，研究团队构建了一个涵盖17,4531个微生物细胞和2,534个物种的瘤胃微生物单细胞转录组图谱，揭示了瘤胃微生物在单细胞水平上的功能分工；共鉴定出12个功能类群，每个类群由表达特定代表性功能基因的细胞组成。例如，功能类群“HSP90+ HMACs”中的细胞特异性表达HSP90蛋白，这些基因与ATP利用相关，表明该类群具有高代谢活性。在识别出的172个核心活性物种中，有164个物种分布在多个功能类群中，其中38个物种存在于全部功能类群中；同时，部分物种被发现主要分布于特定功能类群，例如，Desulfovibrio sp016284885主要参与硫代谢，而Sodaliphilus sp900318205则主要参与脂类代谢。不同微生物物种在不同功能类群中表现出特定的活性，反映了其生态功能的多样性。
鉴于瘤胃微生物群在碳水化合物（特别是纤维素、果胶）代谢过程中发挥了重要作用，研究团队进一步在碳水化合物代谢通路中探究了关键活性功能类群的代谢特征。研究发现，HSP90+ HMACs功能类群在瘤胃中具有高代谢活性，其总代谢活性和碳水化合物代谢活性显著高于其它类群，在将复杂碳水化合物转化为简单糖类（如葡萄糖）的过程中起到关键作用。该研究对HMACs进一步降维聚类，获得了10个功能亚类群，揭示其在碳水化合物代谢途径中的明显异质性。例如，以往研究认为果胶生成丙酸途径是饲喂非常规饲料日粮下奶牛泌乳性能低下的限制性通路，本研究发现在降解果胶生成丙酸的4个连续过程中，Integrase+ HMACs功能亚类群代谢丙酮酸生成琥珀酸的活性最高，而其它3个过程中活性功能较低。同时，在该亚类群中Basfia succiniciproducens作为代谢活性最高的物种，其细胞在这4个连续过程中显示出一致的代谢功能变化趋势。这些结果表明，虽然Integrase+ HMACs功能亚类群总体代谢活性不高，但在关键代谢过程中发挥核心作用，且这一功能亚群中B. succiniciproducens物种显示出一致的代谢功能变化趋势，提示通过功能亚类群探究物种代谢功能变化轨迹的可行性。
在此基础上，本研究提取了5,591个B. succiniciproducens的细胞深入探究其代谢功能变化轨迹，基于瘤胃微生物从底物到最终产物的生物学过程，预测细胞代谢状态变化轨迹为：“从初始轨迹（Multi signal cells）到轨迹1（Transposase+ Formate/nitrite TCs）和轨迹2（Integrase+ cells）”，拟时序差异基因分析证实了这种转化。结果发现，轨迹1细胞的“丙酮酸到乙酰辅酶A”代谢活性显著较高，而轨迹2细胞的“丙酮酸到琥珀酸”代谢活性显著较高（图2）。丙酮酸是碳水化合物代谢的关键中间物质，其代谢过程与瘤胃微生物氢代谢密切相关，丙酮酸代谢生成琥珀酸可降低氢的生成，对瘤胃甲烷减排意义重大。以上结果提示，基于基因表达的微生物细胞状态变化在代谢表型研究中具有巨大潜力。
Basfia succiniciproducens物种的细胞代谢状态变化机制（Credit: Nature Microbiology）
该研究利用MscT技术，通过基于BGMGM的泛基因组功能基因比对策略，揭示了瘤胃微生物生态系统原位活性代谢功能类群，表征了B. succiniciproducens等核心微生物物种细胞在碳水化合物代谢过程中的重要功能和关键动态特征。这项研究不仅在技术上取得了重要进展，为微生物学研究提供了重要资源，在通过瘤胃微生物组调控反刍动物生产和健康，解决全球生态动态、酶资源探索和生物燃料大规模工业生产等方面也具有广泛的应用前景。
