蝉蜕中隐藏微生物“暗物质” ——杜文斌研究团队在难培养候选门纳米菌TM7类群挖掘培养与表面寄生机制研究中取得重要进展

微生物蕴藏着巨大的生物多样性，是基础研究、生物工业、绿色农业、医疗保健和环境保护的宝贵资源。地球存在约一万亿种微生物（1012），目前已培养的只有约1万种，绝大多数动植物、陆地、海洋及空气环境中的微生物还没有被培养和研究。其中，候选门辐射群（Candidate Phyla Radiation, CPR）是最近发现的一类基因组极小的专性寄生体，占据了细菌多样性的25%以上，其发现极大地扩展了微生物“暗物质”的认识。人类微生物组计划在包括口腔在内的多个人体部位普遍检测到多种CPR类群，包括Gracilibacteria（GN02）、Absconditabacteria（SR1）和Saccharibacteria（TM7）。这些CPR微生物与人体多种疾病具有相关性，可能在免疫和疾病等过程中发挥着至关重要但又鲜为人知的作用。

中国科学院微生物研究所杜文斌研究组长期致力于单细胞分析微生物学技术开发与应用研究，开展微流控微滴制备、微滴操控和反应分选等技术创新，进而实现高效微生物单细胞获取、培养、检测和筛选，推动微生物资源挖掘、生物制造、基因诊断、生物安全等领域的应用。近日，杜文斌研究组与北京大学吴晓磊教授研究组、北京大学口腔医院田靖博士合作，开发了基于epicPCR的CPR－宿主共生关系展示技术的候选门微生物培养流程，并首次揭示了候选门TM7细菌依靠四型菌毛（Type IV pili, T4P）蹭行运动和附生宿主的机制。

由于通过常规的16S扩增子测序和宏基因组测序无法揭示其在环境中的寄生关系，CPR细菌及其共生菌的分离是一个挑战。epicPCR（emulsion, paired isolation, and concatenation PCR）是一种通过皮升乳液微滴实现单细胞分离，并通过单细胞的融合基因扩增，揭示功能基因与系统分类标记基因（如16S rRNA基因）在复杂群落中单细胞水平关联性的技术。在本工作中，团队创新地使用epicPCR来检测CPR与其宿主的体表共生关联，提供直接指导并促进专性表共生TM7细菌与其宿主的靶向分离的新策略，成功从中药蝉蜕分离培养了一株CPR纳米细菌与其放线菌宿主，分别命名为Leucosynbacter cicadicola TM7i和Leucobacter aridicollis J1。

图1. 基于epicPCR的候选门寄生菌靶向分离流程

团队发现TM7i细菌专性地寄生于J1的体表，而TM7i基因组内保守的T4P则对TM7i的运动与成功的侵染宿主至关重要。该研究揭示了CPR细菌是如何与微生物宿主发生互作，利用超高分辨率的成像揭示了TM7i-J1的互作动态，并首次描述了TM7i完整的寄生生活史。

图2. 蝉蜕分离的TM7i纳米细菌附生于亮杆菌J1体表，其精简的基因组具有完整T4P基因

为了确认四型菌毛驱动TM7i运动，作者采用四型菌毛抑制剂槲皮素进行了互作实验。显微成像发现槲皮素可以抑制TM7i运动性，而去除槲皮素可以恢复TM7i的运动性。作者将TM7i和J1分别用红色和绿色荧光探针标记，并采用超分辨动态结构照明显微镜进行动态成像。研究定量地分析了TM7i运动的方向性、距离，具有典型的T4P驱动的蹭行运动（Twitching motility）特征。动态成像发现TM7i细胞可以借助T4P介导的运动向宿主趋向移动。上述研究证明T4P触发TM7i运动并在宿主互作中发挥重要作用。

图3. 四型菌毛驱动TM7i的寄生生活史

为了研究T4P依赖的运动是否对TM7i的宿主感染和生长存在影响，作者对TM7i-J1共生体进行了长时间显微镜成像。TM7i细胞在分裂后表现出活跃的运动性。添加槲皮素抑制了子代TM7i的运动，使其难以侵染新的宿主而无法实现新的复制增殖。液体培养的定量PCR结果也发现槲皮素在种群水平上与宿主J1共生期间剂量依赖性地降低了TM7i的生长。上述结果表明，TM7i的T4P在识别和黏附宿主方面起着至关重要的作用。

该研究成果发表在Proceedings of the National Academy of Sciences期刊上，题目为 “Type IV Pili Trigger Episymbiotic Association of Saccharibacteria with Its Bacterial Host”（https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2215990119）。中国科学院微生物研究所博士生谢冰亮为该文章的第一作者，中国科学院微生物研究所杜文斌研究员为通讯作者。这项工作得到了国家重点研发计划“难培养和微量病原体靶向培养技术研究”项目（2021YFC2301000）、国家自然科学基金委员会重大研究计划“水圈微生物驱动地球元素循环的机制”项目（91951103，92251302）等支持。