Science单细胞分辨率细菌种群的空间转录组学

一个细胞一个细胞地监视微生物群落

在任何生物群落中，基因表达都是异质的，这可能表现在具有不同表型的基因相同个体中。我们必须在上下文中观察个体，分析空间和时间上的模式，才能看到完整的画面。为了填补现有方法的空白，Dar等人开发了一种转录组成像方法，名为并行顺序荧光原位杂交（par-seqFISH）。他们将这项技术应用于机会致病菌铜绿假单胞菌，重点关注在显微镜下生长条件可能发生变化的生物膜。从mRNA组成可以看出，这些群落的发展是在空间和时间上进行的。结果显示了异质的表型景观，氧气可利用性在单个相邻生物膜段内以微米的空间尺度影响代谢。该工具应适用于环境中的复杂微生物群落和人类微生物组。

微生物种群表现出异质的基因表达谱，导致单个细菌之间的表型差异。这种多样性可以使种群在不确定和波动的条件下生存，例如突然暴露抗生素，在不同的亚种群之间划分昂贵的功能，并使不同表型之间能够相互作用。除了浮游生物培养中出现的时间表型异质性外，微生物种群和群落通常存在于多细胞生物膜中，这些生物膜在微观尺度上表现出相当大的异质性，无论是在个体所经历的局部物理化学方面，还是在其周围的物种组成方面。表型和微尺度变异代表了微生物种群的中心特征，但可能的细胞状态、它们的时空调节以及它们在许多生物现象中的作用在很大程度上仍然未知。

定义微生物生命的微尺度异质性可以在抗生素耐药性和毒力等领域发挥重要作用。然而，我们对这些基本特征的理解受到我们在相关时空尺度上捕捉这种异质性的能力的限制。克服这些限制可能会对微生物组合的内部工作产生新的见解。

本文开发了par-seqFISH（并行顺序荧光原位杂交），这是一种高通量方法，可以捕获单个细菌的基因表达谱，同时还可以在空间结构环境中保存它们的物理环境。我们将这种方法应用于铜绿假单胞菌的研究，铜绿假单胞菌是一种典型的生物膜形成细菌和一种机会性人类病原体。

在铜绿假单胞菌（P. aeruginosa）生理学和毒力方面，我们研究了超过600000个细菌在数十种生长条件下的转录谱。我们发现了一组不同的代谢和毒力相关的细胞状态，并量化了它们在种群增长过程中的时间动态。除了记录基因表达外，我们还证明了par-seqFISH可以捕获细胞生物学参数，如细胞大小，并可以进一步与特定染料结合，以测量相同细胞中的染色体复制等特征。应用par-seqFISH开发P. aeruginosa生物膜，我们揭示了细胞状态的生物地理学背景，为各种基因的空间表达提供了新的见解。其中包括鞭毛和IV型菌毛基因的相互排斥的表达模式，以及参与亲属选择和细胞外DNA释放的绿脓菌素（pyocins）的局部诱导。仔细观察，我们发现pyocin编码的转录本强烈定位于细菌细胞两极。在早期生物膜中，我们确定了广泛的微尺度表型结构，其中厌氧代谢过程（如反硝化）似乎通过副产物的产生局部影响微环境。在更成熟的生物膜中，我们检测到更大规模的分区，分为不同的代谢活动区和毒力因子生物合成区。
结论

使用par-seqFISH的转录组成像捕获自由生活和固着细菌种群的微尺度表型变化。本文报告了生长中P. aeruginosa的种群，并证明单个多细胞生物膜可以包含共存但分离的亚种群，具有不同的生理活性。这种多路复用和空间解析的方法提供了一种可推广的工具，用于直接在自然环境中研究时空中的细菌种群。未来在自然和临床样本中的应用将深入了解复杂环境中微生物所经历的条件以及协调的生理过程。

Science, abi4882, this issue p. eabi4882