从多个共存有机体中捕获转录组学信息的新方法--SmT

微生物群落在植物组织中定植，并能给植物宿主带来适应度优势，包括促进生长、吸收养分、承受压力和抵抗病原体。根系健康便是这种强大共生关系的一个明显例子。与人类肠道微生物群支持消化的作用相似，一些微生物帮助植物根系从土壤中获取营养和水分，并进行固氮。可以说，微生物组对于植物来说是必不可少的，因此我们希望了解潜在的分子和遗传驱动因素。

Sami Saarenpää博士等人开发了一种改进的Visium空间方法--SmT，可以同时从植物组织切片中捕获真菌、细菌和宿主基因表达信号，同时保留空间组织。

该方法同样可以支持对人类和动物组织中共存有机体的空间组织和功能关系的类似洞察，并最终提供对微生物群落如何影响健康和疾病的不同领域的更深入的理解。

01.

植物菌群：由多种微生物组成的结构化群落

真菌和细菌是最主要的植物相关菌群，尽管植物微生物生活在如此多样化的群落中并相互作用，但却并不是随机组合的，而是由群落组合的一般规则构成，并显示出确定的系统发育组织。它们受到微生物、植物宿主和环境之间复杂的相互作用的控制。

微生物群落的空间组织影响它们的功能--换句话说，就是微生物群落在支持宿主植物和生态系统健康方面的成功程度是受到微生物群落空间组织影响的。需要一个高分辨率的空间分子信息读取，以了解潜在的分子和遗传驱动因素，不仅控制着微生物群落的结构组装，还有微生物-微生物和微生物-宿主的相互作用，这对植物宿主产生了适应度优势。

02.

多模态阵列捕获真菌、细菌和宿主转录本

这种需求推动了一个由Sami Saarenpää博士等人领导的科学家团队之间的合作，他们开发了一种改进的Visium空间方法，可以同时从植物组织切片中捕获真菌、细菌和宿主基因表达信号，同时保留空间组织。这种方法被称为Spatial metaTranscriptomics (SmT)，该技术为研究植物、人类或动物组织中的微生物群相互作用提供了重要的基础空间转录组学技术应用，因为它从多个共存有机体中捕获了转录组学信息。

捕获探针的多模式阵列是启用SmT的关键。该团队开发了一种真菌和细菌特异性捕获探针的独特混合物：16S rRNA序列捕获细菌转录本，而真菌转录本用18S rRNA序列和一个内部转录间隔 (ITS) 捕获。

这些探针与典型的捕获植物宿主mRNA的poly-d(T)探针一起排列在Visium捕获芯片表面，其比例分别为45% 16S rRNA探针、45% 18S rRNA/ITS探针和10% poly-d(T)探针。这个比例不同于典型的Visium捕获芯片，后者由100%的poly-d(T)探针覆盖。然后，研究人员用多模态捕获芯片对拟南芥叶片的整个切片进行了分析，以更好地了解微生物定植局部区域的宿主基因表达变化。

03.

微生物热点区域增强了植物的免疫力

研究小组对13片叶子进行了空间分析，揭示了微生物的丰富程度以及独特的组织模式。他们发现29个细菌类群和23个真菌类群的相对丰度超过1%。分析结果显示，整个叶片表面的微生物群体中，99.9%的采样点含有独特的细菌分子，97.5%的采样点含有独特的真菌分子。尽管覆盖范围很广，但总体集中在热点区域，而不是均匀地分散。一些热点区域甚至被细菌和真菌群落共享。通过保留这种空间背景，研究小组得出结论，共享热点区域的微生物群落丰度和空间组织是微生物-微生物相互作用的决定因素。

研究小组还发现了微生物种群的存在也影响宿主基因的表达，特别是与植物免疫反应相关的基因的富集，以及微生物丰度与免疫相关基因子集（包括ACD6 和CA1 ）之间的明确空间相关性。ACD6 是一种广谱抗病基因，CA1 的产物结合免疫相关激素水杨酸，在病原体入侵时调节气孔的打开。这些发现揭示了宿主机体在建立对威胁和疾病的防御反应时，局部微生物种群如何影响宿主机体的基因表达变化。

04.

微生物群落多样性研究的未来

SmT有望解开微生物种群和它们的植物宿主之间的复杂关系，并且用作者的话来说，“通过从共存的有机体中捕获信息，扩展了多模态空间测量方法的范围”。

SmT不仅仅是植物研究专属，同样可以支持对人类和动物组织中共存有机体的空间组织和功能关系的类似洞察，并最终提供对微生物群落如何影响健康和疾病的不同领域的更深入的理解--从消化和代谢，到伤口愈合等。

参考文献：

Saarenpää S, et al. Spatially resolved host-bacteria-fungi interactomes via spatial metatranscriptomics. bioRxiv (2022). doi: https://doi.org/10.1101/2022.07.18.496977