SEER-FISH拍摄的植物根际微生物组。

■本报记者 刁雯蕙

微生物群落存在于土壤、水体、大气、动植物体内等多种生态系统中，在生态系统的稳定性和功能维持方面起着至关重要的作用，比如有助于维持土壤肥力和水体中营养物质的循环等。

微生物群落的重要性目前已得到广泛认可，但科学家们对于微生物群落中微生物物种之间的相互关系、数量比例以及空间分布情况等的认识比较匮乏。

近日，一项发表于《自然-通讯》的研究中，中科院深圳先进技术研究院合成生物学研究所戴磊课题组成功开发出可容错编码的序贯荧光原位杂交（SEER-FISH）技术，可识别复杂群落中不同微生物物种，在单细胞尺度上原位解析微生物物种之间以及微生物-宿主之间的相互作用，进而研究其生态规律和生理功能，是研究微生物群落生态和功能的重要工具。

研究团队在微米尺度上绘制了拟南芥根系定植的多细菌物种的生物地理分布，观测到不同微生物物种在根系上的空间异质性定植，以及在受到宿主代谢物扰动后微生物空间分布变化和物种空间关联改变。

突破传统微生物群落成像限制

据介绍，植物根部有密密麻麻的微生物群落，这些微生物和植物的生长息息相关，形成了一个复杂的生态系统。

尽管目前荧光原位杂交技术可被用于微生物可视化，但传统成像方法受荧光基团光谱重叠的限制，能同时表征的物种丰富度非常有限。因此，科研团队需要发展新的微生物成像技术，以更好表征和解析微生物群落的空间结构。

戴磊团队开发的新微生物成像技术——SEER-FISH，有望打破传统荧光成像技术的限制。该技术使用多轮的rRNA探针杂交解离，可实现对数千种微生物的同时成像和区分。

SEER-FISH技术拓展了荧光分子的种类与杂交成像轮数之间的指数组合，从而实现对微生物群全部物种同时成像。在实验验证中，多轮成像的rRNA探针杂交解离可至26轮后仍有明亮的荧光信号，允许对数千种不同的微生物进行成像和区分。

此外，在体外合成微生物群落中，研究团队使用可纠错的编码方案验证了该成像方法对群落组成识别的准确性和可重复性。研究人员表示，该技术有望为微生物群落的空间结构表征和解析提供更加精确和全面的方法，为生态学、环境保护和农业生产等领域提供更多科学依据。

完成微生物群落精准成像

与真核生物不同，微生物鉴定是通过核糖体rRNA标记实现的。由于亲缘关系相近的微生物物种核糖体序列相似度较高，因此针对每种不同微生物设计出高度特异性探针的难度随之加大。非特异性杂交会出现物种难以鉴定和假阳性问题，当同时标记的微生物种类大幅增加时，非特异性杂交的影响会导致对微生物的很多误判。

为了解决相关问题，研究团队在过去3年间，对微生物群物种的标记方式和编码方法进行了优化，以提高物种准确识别率，并对微生物群落进行准确成像，从而更好了解微生物群落组装、微生物间和微生物-宿主相互作用及功能。

此外，SEER-FISH成像技术与其他空间解析技术的结合，将进一步拓展空间微生物组学研究。例如与扩展显微镜相结合，可分析单个细菌细胞的空间转录组；与质谱成像或多重蛋白质图谱协同，可在分子水平上揭示复杂微生物群落在空间上的功能及其与宿主的相互作用。

该成像技术还可广泛应用于表征复杂微生物群落中的物种空间异质性，实现单细胞分辨率下各微生物物种在微米尺度上的空间分析，为空间微生物组的结构表征提供有力工具，对微生物群落的研究具有重要意义。

“未来，我们希望进一步将成像标记的分子扩展到mRNA，从而真正将微生物群的结构-功能联系在一起。”戴磊说。

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41467-023-37188-3