研究背景
聚球藻 (Synechococcus) 是在海洋中广泛分布的光合自养生物，对海洋初级生产力有显著贡献，也在海洋碳循环和生物地球化学循环中发挥着重要作用。聚球藻具有丰富的系统发育多样性，其系统发育多样性可能代表生理或生态多样性。环境波动会驱动聚球藻生理和基因调控的动态变化，并可能导致其适应性进化，沿海水域聚球藻结构和功能如何响应季节环境变化成为一个重要的科学问题。
分离技术的进步和高通量测序技术的发展，拓展了我们对聚球藻群落多样性的认识，然而，海洋中的低丰度物种常常被忽略。流式细胞分选 (FACS) 是一种基于流式细胞术的先进技术，能够利用荧光信号检测和分选复杂微生物样本中的细胞。从海水样品中分选出聚球藻细胞，提取扩增DNA后进行高通量测序，可能通过简化目标微生物群落的组成，增强从宏基因组中回收低丰度物种的能力。然而，将FACS与高通量测序相结合用于分析聚球藻群落结构和功能基因的研究仍处于探索阶段。
近日，中国海洋大学海洋生命学院梁彦韬教授团队在Microorganisms 期刊发表了一篇关于FACS结合高通量测序研究亚热带沿海水域聚球藻群落结构和功能基因季节性变化的文章。研究发现，厦门沿海水域聚球藻群落组成和代谢功能存在显著的季节性变化，这些变化与环境因素的变化密切相关，增强了我们对聚球藻群落结构和代谢活动响应环境变化的理解。
图1. FACS实验设计和高通量测序工作流程
在夏季 (6月和8月) 和冬季 (3月和12月)，从厦门沿海水域三个站点收集原位海水样品进行细胞分选，分选出的聚球藻细胞提取DNA后进行高通量测序获得12个FACS测序数据；在8月份三个站点采取到的原位海水样品直接提取DNA并进行测序获得3个原位测序数据。
研究过程与结果
梁彦韬教授团队采用FACS结合高通量测序，对厦门沿海水域聚球藻群落的季节性动态进行系统研究。研究人员首先对8月份的原位测序数据和分选测序数据进行了比较分析，结果发现FACS样本揭示了原位样本未能充分检测到的低丰度聚球藻菌株。聚球藻群落组成存在显著的冬夏季节差异，这些群落结构变化与环境因素密切相关。此外，聚球藻群落功能的季节性变化表现在在夏季聚球藻代谢活动增强，聚球藻通过调节不同功能基因的表达来适应季节性的环境变化。这些结果表明，聚球藻群落变化与环境因素的变化密切相关，增强了我们对聚球藻群落组成和代谢活动响应环境变化的理解。
图2展示了聚球藻群落结构的季节性变化。可以看出，厦门沿海水域聚球藻群落组成存在显著季节性差异，冬季聚球藻以S5.1为主，核心进化支为XIX和II。夏季聚球藻S5.1和S5.2占主导地位，核心进化支为IX、CB2和CB5。
图2. 聚球藻群落组成的季节性变化
图3展示了冬夏季节聚球藻代谢途径相关的功能基因数目。可以看出，夏季聚球藻代谢活动强于冬季，表明聚球藻可能通过调节不同功能基因的表达来适应季节性的环境变化，以维持细胞生长、代谢和生存。
图3. 聚球藻功能基因数目的季节性变化
研究总结
梁彦韬教授团队的研究首次利用荧光激活细胞分选结合高通量测序揭示厦门沿海水域聚球藻群落结构和功能基因的季节变化，并对聚球藻原位测序数据和分选数据进行了比较分析。研究结果表明，FACS和高通量测序能够检测到原位测序样本中未能充分检测到的低丰度聚球藻菌株。厦门沿海水域聚球藻群落组成存在显著的季节变化，夏季聚球藻表现出增强的代谢活性。总的来说，FACS与高通量测序相结合为微生物群落研究提供了新的见解。作为关键的海洋初级生产者，聚球藻群落结构和功能变化直接影响海洋生态系统的健康，并且对于海洋碳循环及其他生物地球化学过程至关重要。未来的研究可以扩大采样规模，以分析其他环境因素对聚球藻群落的影响。此外，FACS与高通量测序的结合也可以应用于其他微生物群落的研究。
原文出自Microorganisms 期刊：https://www.mdpi.com/3243694
期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/microorganisms
Microorganisms 期刊介绍
主编：Nico Jehmlich, UFZ-Helmholtz Centre for Environmental Research, Germany
期刊主题涵盖微生物学的各个研究领域，主要发表环境、植物、食品、肠道、医药、技术等微生物相关领域的学术文章。现已被SCIE (Web of Science)、PubMed (NLM)、Scopus等重要数据库收录。
2023 Impact Factor：4.1
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