顶级期刊专栏 | 环境微生物近期最值得看的研究成果盘点（20210820）

Nature

综述| Nature Reviews Microbiology：电微生物学:系统发育多样化的电化学活性微生物的生理生态学

本文由CrystalJ编译

摘要：电化学活性微生物显著影响许多环境，在这些环境中，它们与其他细胞和矿物质建立外表面电接触，或者还原可溶的胞外氧化还原活性分子，如黄素和腐殖质。越来越多的研究强调了电化学活性微生物具有广泛的系统发育多样性，并表明这些微生物在多个生物地球化学循环、肠道微生物菌群、厌氧废弃物消化池和腐蚀的金属等环境中具有关键作用。各种细菌和古菌已经独立地进化出以细胞色素为基础在胞外和胞内进行电子转移的策略；但是不依赖于细胞色素的电子转移机制也很普遍。导电性的蛋白质纤维、可溶性电子载体和非生物导电材料均可以使微生物将电子转移到细胞表面以外的位置。目前科学家对电化学活性微生物的多样性及其独特的电子转移能力的日益认识，这导致了与其相关的广泛应用。 

原名：Electromicrobiology: the ecophysiology of phylogenetically diverse electroactive microorganisms

译名：电微生物学: 系统发育多样化的电化学活性微生物的生理生态学

期刊：Nature Reviews Microbiology

IF：60.633

发表时间：2021.07.27

通讯作者：Derek R. Lovley

通讯作者单位：美国马萨诸塞大学阿姆赫斯特分校微生物学系、美国马萨诸塞大学应用生命科学研究所、东北大学电活性生物材料研究中心、材料各向异性与织构教育部重点实验室

DOI号：10.1038/s41579-021-00597-6

原文链接：

https://doi.org/10.1038/s41579-021-00597-6

科研| Nature Microbiology: 全国范围土壤李斯特菌基因组图谱揭示自然选择和群体生态学对泛基因组进化的影响

本文由Moon编译

摘要：自然界中的细菌群落具有巨大的基因组多样性（genome diversification），主要表现为一定环境下由DNA频繁交换导致的基因内容差异。然而，科学界对于驱使基因组多样性产生的生态学因素和其中自然选择发挥的作用依然众说纷纭。在这项研究中，研究人员通过横跨全美国连续采集土壤样本，并构建一幅由1854条李斯特菌（Listeria）分离株构成的全国性李斯特菌 (Listeria) 图谱来挑战这一难题。研究发现，李斯特菌的存在受广泛环境参数的影响，其中土壤湿度（soil moisture）、钼（molybdenum）和盐离子浓度（salinity concentrations）起主要控制作用。基于594条代表株的全基因组数据，研究人员将李斯特菌分为12个遗传谱系（phylogroup），各个谱系的栖息深度和地方性均有巨大差异。广泛分布的谱系，即分布于多个不同生境的一些谱系，表现出更多开放的泛基因组（pangenomes），更弱的连锁不平衡（linkage disequilibrium），表明它们比栖息范围较小谱系具有更快速的基因获取和丢失以及等位基因交换。除此之外，正向选择的影响在特定遗传谱系核心基因组（phylogroup-specific core genome）中更明显，表明谱系特异的核心基因是适应（adaptation）的重要驱动因素。综上所述，上述研究结果表明基因组灵活性和重组是适应可变环境时自然选择的结果。

原名：Nationwide genomic atlas of soil-dwelling Listeria reveals effects of selection and population ecology on pangenome evolution

译名：全国范围土壤李斯特菌基因组图谱揭示自然选择和群体生态学对泛基因组进化的影响

期刊：Nature Microbiology

IF：17.745

发表时间：2021年7月15日 

通讯作者：Martin Wiedmann & Otto X. Cordero

通讯作者单位：康奈尔大学食品科学系；麻省理工学院土木与环境工程系

DOI号：10.1038/s41564-021-00935-7

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41564-021-00935-7

科研| Nature Plants：与防御相比，微生物群落-根-芽循环更有利于拟南芥在次优光照下的生长

本文由永稷编译

摘要：植物地下部分与地上部分的双向信号在植物胁迫响应及植物生存中具有重要的作用。本研究结果表明拟南芥Arabidopsis thaliana 对根系共生微生物及光的响应在微生物群落-根系-地上部分之间是互联互通的。无菌植物体系中，光操纵微生物群落的实验表明叶片在较低的光合有效辐射下诱导了根系细菌群落的长距离调控，但对真菌和卵菌无诱导作用。相对应地，拟南芥共生微生物也会缓解低光合有效辐射对植物生长的影响。与只进行限制光合有效辐射的处理相比，微生物群落对拟南芥生长受阻的缓解作用机制包括微生物群落诱导了地上部分的防御响应和改变了对叶部病害的抗性。一系列拟南芥突变体的研究表明在依赖于微生物群落的生长防御与依赖光生长防御两者之间的平衡中，地下部分细菌群落组成以及寄主转录调控因子MYC2起直接调控作用。本研究结果表明，植物地上部分的胁迫响应受到植物根系共生微生物的调控。

原名：A microbiota–root–shoot circuit favours Arabidopsis growth over defence under suboptimal light

译名：与防御相比，微生物群落-根-芽循环更有利于拟南芥在次优光照下的生长

期刊：Nature Plants

IF：15.793

发表时间：2021.07.05

通讯作者：Stéphane Hacquard

通讯作者单位：德国马克斯·普朗克植物育种研究所

DOI号：s41477-021-00956-4

原文链接： 

https://www.nature.com/articles/s41477-021-00956-4

科研| Nat. Plants：FERONIA通过控制活性氧调节根际假单胞菌

本文由温水编译 

加拿大英属哥伦比亚大学Cara Haney教授团队于2021年5月10日在Nature Plants发表题为《FERONIA restricts Pseudomonas in the rhizosphere microbiome via regulation of reactive oxygen species》的文章。Pseudomonas fluorescens（荧光假单胞杆菌）具有促进植物生长、诱导系统拮抗土壤真菌病害等功能，是植物根际的益生微生物，然而，植物调控土壤中有益微生物菌落的遗传分子机制目前尚不清楚。因此，本研究从根系免疫和激素互作突变体入手，结合室内分子实验以及多组学测序分析，发现了受体蛋白激酶FERONIA（FER ）能够在复杂天然的微生物组中调控根际益生菌—Pseudomonas fluorescens（荧光假单胞杆菌），即在相对复杂的根际环境中，植物可以利用单个调控基因或者简单线性调控通路对特异性有益假单胞菌进行定殖，本研究揭示了FER通过维持根部活性氧水平进而调控根际有益假单胞菌群的新机制。

摘要：微生物群落结构对于维持动植物健康至关重要。本研究中，我们先通过突变体筛选，鉴定到一个激素诱导免疫抑制的受体蛋白激酶FERONIA（FER）突变体fer-8，该突变体在根际土中显著富集Pseudomonas fluorescens（荧光假单胞杆菌）。其次，通过微生物组移栽实验，我们发现fer-8 突变体在根际微生物组是有益（植物）生长的。再次，转录组分析发现，fer-8 突变体并不依赖于茉莉酸（JA）信号调控。最后，H2DCF-DA染色实验发现，fer-8 突变体根部活性氧（ROS）的本底水平较低，且NADPH氧化酶缺失的突变体中根际Pseudomonas fluorescens 明显增加。添加RALF23蛋白后，Pseudomonas fluorescens 也会明显富集。最终，本研究揭示了FER通过调节根系活性氧（ROS）水平，进而维持根际益生菌Pseudomonas fluorescens 的定殖。

原名：FERONIA restricts Pseudomonas in the rhizosphere microbiome via regulation of reactive oxygen species

译名：FERONIA通过控制活性氧调节根际假单胞菌

期刊：Nature Plants

IF：15.793

发表时间：2021.05.10

通讯作者：Cara H. Haney

通讯作者单位：英属哥伦比亚大学（加拿大）

DOI号：10.1038/s41477-021-00914-0

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41477-021-00914-0

科研| Nature Communications：病毒衍生微生物纳米室的大规模计算发现和分析

本文由猫猫编译

摘要：纳米隔室是一类由病毒HK97折叠衣壳蛋白、自组装成二十面体外壳和专用货物装载机制来隔离特定酶而定义的微生物蛋白室。纳米隔室经常被错误注释，传统的基于序列的搜索产生了许多假阳性的噬菌体形式的点击。在本研究中，我们开发了一种综合搜索策略，对原核生物基因组进行大规模的计算分析，目的是发现一套完整的、精心策划的HK97折叠类纳米隔室系统。我们在31个细菌门和4个古细菌门中发现了6000多个类似于纳米隔室的系统，包括两个新的纳米隔室家族。我们对其潜在的生物学功能和生物医学相关性提出假设，范围从天然产物的生物合成和抗逆性到碳代谢和厌氧产氢。对纳米隔室和相关HK97型病毒家族的进化分析表明，它们有一个共同的祖先，故我们得出结论，纳米隔室可能是从HK97型噬菌体进化而来的。

原名：Large-scale computational discovery and analysis of virus-derived microbial nanocompartments

译名：病毒衍生微生物纳米室的大规模计算发现和分析

期刊：Nature Communications

IF：14.919

发表时间：2021.08.06

通讯作者：Tobias W. Giessen

通讯作者单位：美国密歇根大学医学院生物医学工程系

DOI号：10.1038/s41467-021-25071-y

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-021-25071-y

科研| Nat. Commun.：养分导致土壤碳通量向小部分细菌群落固持

本文由耗子编译

摘要：营养变化削弱了细菌的功能多样性，因而较少的细菌分类群在控制着碳的流通。该研究分析了四种生态系统中产生呼吸作用的细菌类群之间的差异，这种差异指示了特定物种对土壤碳循环控制的潜力。功能多样性是指对碳通量变化及碳利用均匀性有贡献细菌的丰富度，尽管功能多样性总体较低，但其与分类多样性变化一致。在所有生态系统共有的属中，慢生菌属 (Bradyrhizobium )、酸杆菌门 (Acidobacteria) 的RB41菌属和链霉菌属 (Streptomyces) 通过细菌生产力和呼吸共同构成了45-57%碳的流通。利用最多添加碳 (葡萄糖) 的细菌也是利用最多原生土壤碳的细菌，这表明关键分类群的行为可能影响土壤碳平衡。通过不同微生物分类群绘制碳流通图对发展分类-敏感性土壤碳模型至关重要，这可能降低对气候变化预测的不确定性。

原名：Nutrients cause consolidation of soil carbon flux to small proportion of bacterial community

译名：养分导致土壤碳通量向小部分细菌群落固持

期刊：Nature Communications

IF：14.919

发表时间：2021.06.07

通讯作者：Bram W. Stone

通讯作者单位：美国西太平洋西北国家实验室地球和生物科学局与北亚利桑那大学生态系统科学与社会中心

DOI号：10.1038/s41467-021-23676-x

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-021-23676-x 

科研| Nat. Commun.：能源效率和生物相互作用决定了深层营养不足的地下水的核心微生物群

本文由清韵编译

摘要：虽然贫营养的深层地下水拥有与生物能量谱低端相协调的活性微生物，但这些生态系统中微生物生态位的生态限制及其对微生物组融合的影响尚不清楚。本研究提供了一个基因组解析的整合组学分析，比较了欧洲Fennoscandian Shield断裂流体中的古菌和细菌群落。利用结合宏基因组、单细胞基因组和宏转录组的数据集，本研究表明以相似岩性流动的地下水提供了由共同核心微生物组占据的固定生态位。功能表达分析强调，这些深层地下水生态系统培养了适应这种环境的多样化的合作群落。本研究认为这些群落通过表达与生态特征相关的功能（例如聚集或生物膜形成）来促进合作，同时通过促进与群落其他成员的互惠混杂代谢关系来减轻微生物产生的化合物或功能的负担，从而提供集体利益。本研究假设由可逆抑菌功能实现的间歇性生活方式确保了贫营养深层地下水微生物群的生存。

原名：Energy efficiency and biological interactions define the core microbiome of deep oligotrophic groundwater

译名：能源效率和生物相互作用决定了深层营养不足的地下水的核心微生物群

期刊：Nature Communications

IF：14.919

发表时间：2021.07.12

通讯作者：Maliheh Mehrshad；Margarita Lopez-Fernandez

通讯作者单位：乌普萨拉大学；林奈大学

DOI号：10.1038/s41467-021-24549-z

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-021-24549-z

Science

科研| Science：肠道菌群的遗传性几乎是普遍的，但其与环境有关

本文由Hygge编译 

美国明尼苏达大学遗传、细胞生物与发育学院Laura Grieneisen等人于2021年7月9日在Science发表题为《Gut microbiome heritability is nearly universal but environmentally contingent》的文章。共生细菌在生物体中随处可见，但尚不清楚肠道细菌和宿主之间的联系是否可遗传。目前的研究表明，可遗传的肠道微生物群是罕见的。在人类中，只有3-13%的肠道微生物具有非零遗传率，一项研究估计总体微生物组遗传率可能低至0.019。而本研究基于14年来收集的585只野生狒狒（Papio cynocephalus）的粪便样本，使用16S rRNA基因测序，得到了16234个微生物组谱。根据所得图谱，作者对于1034个肠道微生物组表型的h²值（狭义遗传率）进行估计，结果发现在狒狒体内，几乎所有的肠道微生物群都是可遗传的，包括普遍和罕见的肠道菌群。尽管多数表型遗传率值较低，但其随宿主年龄的变化而变化。此外，与观察结果一致的是，本研究发现环境对肠道菌群变异的影响大于加性遗传效应。狒狒生活在与早期人类相似的环境中，其微生物群也与人类相似。因此，微生物组的这种遗传性可能反映了人类中类似的遗传决定因素，尽管类似的数据集无法获得。本文通过确定肠道微生物组表型的遗传率将微生物组变异与宿主遗传变异联系起来，这意味着微生物组的特征在宿主基因组上的自然选择是存在的。

摘要：近亲比非近亲拥有更多相似的肠道菌群，但这种相似性在多大程度上是由共同的基因型和共同的环境造成的，这点一直存在争议。在本文中，我们对14年来从585只野生狒狒身上收集到的16234份肠道微生物组图谱进行分析，所得结果表明宿主基因对肠道菌群的影响几乎是普遍的。在控制饮食、年龄和社会生态变异的情况下，97%的微生物组表型被发现具有明显的可遗传性，其中一些微生物组表型已经被报道可在人类中遗传。但这些微生物组表型的遗传率通常较低 (均值=0.068)，不过在旱季、低饲料多样性和较老宿主中遗传率会系统地升高。我们的研究表明了纵向分布和大样本量对量化微生物组遗传率至关重要，同时也指示了菌群特征可以作为宿主表型被纳入自然选择的范围。

原名：Gut microbiome heritability is nearly universal but environmentally contingent

译名：肠道菌群的遗传性几乎是普遍的，但其与环境有关

期刊：Science

IF：47.728

发表时间：2021.07.09

通讯作者：Laura Grieneisen、Jenny Tung、Elizabeth A. Archie和Ran Blekhman

通讯作者单位：美国明尼苏达大学遗传、细胞生物与发育学院；美国杜克大学生物学院；美国圣母大学生物科学学院

DOI号：10.1126/science.aba5483

原文链接：

https://science.sciencemag.org/content/373/6551/181?rss=1

Cell

科研| Cell Host & Microbe：宿主释放的氨基酸信号调节细菌的趋化作用以增强定植

本文由蓝胖儿编译

摘要：动物微生物群主要由环境微生物组成，但个体共生体调节其向宿主传播的机制仍未得到充分研究。通过追踪维氏气单胞菌（Aeromonas veronii）在无菌的斑马鱼中的实验进化，我们确定了促进宿主定植的细菌特性。根据结构、生物化学和表型证据表明脯氨酸双鸟苷酸环化酶（SpdE）编码一种氨基酸敏感的双鸟苷酸环化酶，我们将多个独立进化的分离株的一个基因命名为双鸟苷酸环化酶（SpdE）传感器。SpdE传感器可以检测游离的脯氨酸，并在较小程度上检测缬氨酸和异亮氨酸，从而减少细胞内c-di-GMP的产生，c-di-GMP是控制细菌运动的第二信使。事实上，SpdE与氨基酸的结合增加了细菌的运动性和宿主定殖。宿主是SpdE检测到的氨基酸的来源，其水平因微生物定居状态而异。我们的工作表明，细菌利用化学调节的运动性或趋化因子作用来感知宿主发出的信号，从而触发主动进入宿主。 

关键词：斑马鱼、微生物组、双鸟苷酸环化酶、PAS/cache、趋化性、化学运动性、生物膜、传动装置、宿主系统、实验进化

原名：Host-emitted amino acid cues regulate bacterial chemokinesis to enhance colonization

译名：宿主释放的氨基酸信号调节细菌的趋化作用以增强定植

期刊：Cell Host & Microbe

IF：21.023

发表时间：2020.07.06

通讯作者：Karen Guillemin

通讯作者单位：美国俄勒冈大学分子生物学研究所

DOI号：10.1016/j.chom.2021.06.003

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.chom.2021.06.003

图文摘要