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顾问文章|中山大学生命科学学院李文均教授及其研究团队研究成果荣登National Science Review!

来源:admin    发布时间:2021-03-22   阅读数:28

近日,a级黄色片科学顾问、中山大学生命科学学院李文均教授及其研究团队在National Science Review上发表了题为“Microbial dark matter coming to light: challenges and opportunities”的观点文章,详细阐述了微生物暗物质的研究进展及微生物暗物质研究的挑战与机遇,为微生物暗物质未来的研究方向提供了切实可行的建议。以下为该观点文章的精彩解读。

焦建宇博士为本文第一作者,李文均教授为本文通讯作者。热烈祝贺李文均教授及其研究团队!


Microbial dark matter coming to light: challenges and opportunities

微生物暗物质研究走向光明:挑战与机遇


顾问文章|中山大学生命科学学院李文均教授及其研究团队研究成果荣登National Science Review!

作者:Jian-Yu Jiao (焦建宇), Lan Liu (刘兰), Zheng-Shuang Hua (花正双), Bao-Zhu Fang (房保柱), En-Min Zhou (周恩民), Nimaichand Salam, Brian P. Hedlund and Wen-Jun Li (李文均)?

期刊:National Science Review

时间:2021年3月

影响因子:16.693

DOI:10.1093/nsr/nwaa280


主要内容

微生物具有地球上最为丰富多彩的细胞生命形式,广泛存在于各种生态环境中。目前有超过99%的细菌和古菌都无法获得纯培养菌株,我们对微生物世界的认知仍是冰山一角。这些只能通过免培养手段检测到的未培养微生物被称为微生物暗物质(Microbial Dark Matter,MDM)。对于MDM认知的匮乏,使得微生物在物种和功能多样性等方面充满了神秘色彩。MDM研究将对人们揭开MDM的神秘面纱、积累物种和遗传资源具有重要意义。


1. 科技为MDM带来光明

地球上存在大量的未培养微生物资源,而过去几十年的研究工作多是以可分离培养的微生物为基础开展的科研探索。直到测序技术和方法的革新,才使得直接从原始环境样本中获得MDM基因组成为可能。值得注意的是,从单细胞测序和宏基因组测序技术中获得基因组序列(Single-Amplified Genomes,SAGs和Metagenome-Assembled Genomes,MAGs)为MDM研究带来前所未有的光明,极大地拓展了我们对微生物世界的认识。对SAGs和MAGs的分析可以回答MDM的基本科学问题:它们是谁、它们在哪和它们的功能是什么(图1)?


顾问文章|中山大学生命科学学院李文均教授及其研究团队研究成果荣登National Science Review!
图1.MDM的基本研究策略


2. MDM研究充满惊喜

对SAGs和MAGs的研究揭示了许多与自然界微生物多样性的重大发现,如从大量宏基因组数据中分析得到数量庞大的MDM基因组,通过对其序列研究确立新的细菌门和古菌门,重塑微生物进化树。同时对MDM基因组功能和代谢潜能的深入研究让我们了解到更多的微生物新功能,未来可应用于生物医学、生物能源和生态环境修复方向。MDM功能的多样性,向人们展示了其“多姿多彩”的一面,并让我们更加深刻的认识这个人类赖以生存的生命世界。


3. MDM研究的挑战与机遇

DNA测序技术的便利使得MDM的基因组序列极大扩张,MDM研究正从小数据时代转入到大数据时代。如何最大限度地利用大数据正是我们在后基因组时代开展MDM研究需要深入思考的问题。作者在此提出MDM研究目前面临的三个主要挑战:第一个是目前对MDM没有统一的命名规则,不利于科研学者之间的学术碰撞和成果共享,因此迫切地需要科研学者的共同努力建立一套能被普遍接受的MDM的命名规则。第二个是仅从MAGs和SAGs的基因组信息难以进行深入的微生物功能研究。目前基于基因组序列对于MAGs和SAGs的代谢潜能进行的研究仅是序列上的预测,并非通过更加强而有力的证据链做支撑,而且目前大多数基因还处于未知功能状态。因此MDM的功能研究需要与多组学及包括FISH、MAR、nanoSIMS技术,甚至异源表达相结合。第三个是对MDM的分离培养仍然是十分具有挑战的工作。幸运的是,SAGs和MAGs结合多组学和其它技术对于MDM的功能理解可以有助于富集分离实验的开展,可根据过往的研究结果设计出合理的培养策略。同时需要考虑微生物相互作用对于生存的重要性,共存网络和功能网络的分析也将利于MDM的富集分离。


4. MDM研究的未来

对于MDM,未来的研究重点集中在它们是谁、它们在哪和它们的功能是什么?因此作者建议:(1)坚持对各个生境以包括宏基因组、宏转录等多组学的方式进行MDM研究,将有助于拓展我们对微生物物种和功能多样性的认知;(2)原位实验结合组学分析,以及采用包括FISH、NanoSIMS、Raman和异源表达等技术对MDM功能进行探索;(3)结合多组学和功能网络信息等指导富集培养策略。同时,作者指出MDM研究需要多学科、多维度的交叉合作,因此构建MDM研究中心将有助于解决目前所面临的挑战。

目前对MDM的研究还处于起步阶段,人们对MDM的研究成果就像是打开一个个充满惊喜的“魔术盒”,未来对MDM的进一步探索的过程中会发现更多意想不到“惊喜”,而每一个“惊喜”都将成为进一步探索MDM生化进化和功能机制的基石。

原文链接:https://academic.oup.com/nsr/article/8/3/nwaa280/6027462?login=true




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