作者：闫涛，南京农业大学硕士在读，主要研究根际资源与根际微生物互作。
周刊主要展示优秀周报，每周定期为您奉上学术盛宴！本期周刊为您介绍通过宏基因组网络分析确定维生素在微生物群落内部的重要性，原文于2023年发表在《Nature Communications》上。![]()
理解微生物间的互作对优化和调控微生物组功能至关重要。传统的相关性网络分析基于扩增子测序数据推断微生物丰度和分类学信息，无法揭示物种的功能潜力，为了更深入地理解微生物群落中的互作，作者提出基于基因组信息的建模方法，用于预测微生物的代谢互作，尤其是代谢交叉供养的普遍性。本研究通过建微生物网络，并叠加节点细菌代谢信息，发现维生素B1的生产者在网络中起到关键作用，本研究表明将细菌功能信息叠加到网络分析中，可更全面地揭示微生物群落中的代谢互作机制，为研究复杂微生物系统提供了新视角。作者收集了92个尾矿池环境微生物群落的宏基因组信息，构建了基于丰度的共现网络，通过Fastspar软件的SparCC算法，分析309个从92个宏基因组中恢复的代表性物种基因组的正线性相关性，构建了包含120个节点的网络,并在该网络上叠加了功能能力预测、维生素需求预测，并测试了这些预测的微生物相互作用（图1）。![]()
作者发现构建的网络具有较低的连接性和较高的模块化，表明该网络中具有较多的子网络。作者将8个具有高中心性的节点定义为网络枢纽（图2a）。随后作者将节点的代谢信息映射到网络中，量化了维生素生产者在网络中的潜在重要性（图2b，量化方法：计算节点的总边数与其连接的营养缺陷型节点数的乘积，再除以这些营养缺陷型节点与维生素生产节点共享边数的平均值）。通过该量化方法，作者确定了多种维生素的关键微生物：硫胺素VB1的关键微生物Nitrospira、Comamonas和Variovorax，泛酸VB5的关键微生物Chitinophagaceae以及核黄素VB2、生物素VB7的关键微生物Rhodanobacter。
作者成功分离出一株关键微生物Variovorax。因此作者之后将研究重点放在Variovorax为枢纽的硫胺素代谢网络中（图2b）。在该网络中，Variovorax的硫胺素中心性得分最高。之后作者随机模拟1000次网络，重新计算Variovorax的硫胺素中心性得分，结果显示，Variovorax得分比均值高1.5个标准差（均值48.2，标准差7.9）。因此，Variovorax具有高中心性的原因主要是因为其作为少数与营养缺陷型物种关联最多的硫胺素生产者之一。作者之后聚焦于与Variovorax相关联的微生物，发现多数物种为硫胺素营养缺陷型（图2e）。![]()
图2：网络分析和硫胺素枢纽指标评估Variovorax在共培养微生物中的重要性作者通过基因组研究了Variovorax硫胺素生物合成和运输相关基因的分布与功能，发现硫胺素生物合成基因主要集中在一个受TPP核糖开关调控的操纵子中（图3a）。同时，Variovorax的thiL基因功能正常（合成生物学中提高硫胺素产量的重要基因之一）。此外Variovorax基因组编码了多种代谢途径，能够利用多种糖类、脂类和复杂的植物来源碳化合物，同时具备硫胺素和铁载体的合成能力。尽管该基因组缺乏泛酸（维生素B5）的合成途径，但Variovorax与两种泛酸生产菌存在相关性（Sphingobacteria和Kapabacteria，图2e、图3b）。![]()
图3：Variovorax具备硫胺素合成、代谢多样性、铁载体生产及趋化潜力
3. 硫胺素的生物合成在Variovorax属中具有普遍性
Variovorax因能降解复杂碳化合物而被认为是根际微生物群落的重要中心，但本研究发现其维生素生产能力也可能是其中心作用的原因之一。作者通过分析Genome Taxonomy Database(GTDB)中所有变形菌的基因组，发现硫胺素生物合成能力在变形菌中较为稀有，仅10%的基因组具备此能力。Variovorax属是其中比例最高的属，72个Variovorax基因组中有37.5%编码了接近完整或完整的硫胺素生物合成途径（图4a、b），这表明Variovorax的硫胺素生产能力可能是其具有高中心性这一生态功能的重要特征之一。作者进一步分析发现具有编码多个维生素和辅因子的基因组的大小显著大于仅编码少于5种维生素和辅因子的基因组（图4c）。![]()
图4：准确硫胺素生物合成能力在Variovorax较为普遍
4. Variovorax通过分享硫胺素提升硫胺素营养缺陷菌的适应性为验证Variovorax是否能作为硫胺素营养缺陷菌的供应者，作者使用一株硫胺素缺陷型酵母菌Cryptococcus进行验证试验（图5a），Cryptococcus在与Variovorax共培养中，其细胞密度提高约90倍，同时Variovorax的密度增加约130倍（图5b）。Variovorax在添加Cryptococcus发酵液的条件下可产生硫胺素（图5c），Variovorax可能是泛酸营养缺陷菌，其生长在共培养中得到改善可能与Cryptococcus提供的泛酸有关。这表明Variovorax和Cryptococcus之间可能存在着维生素相互依赖的代谢互作。![]()
图5：Variovorax与硫胺素缺陷型Cryptococcus存在代谢交换
作者在最小培养基中检测不同浓度泛酸条件对Variovorax生长的影响（图6）。结果显示Variovorax在初期呈现缓慢线性增长，经过延长的迟缓期后进入指数生长期（图7a）。迟缓期期间，外源硫胺素以线性方式生成（图7b），并在指数生长开始时被迅速消耗。即使在无泛酸补充的情况下，Variovorax在前144 h内几乎未表现出生长，却仍产生了8.4 mg/L的硫胺素，显示其在迟缓期仍具有生产硫胺素的能力。![]()
图6：不同浓度泛酸VB5对Variovorax生长及产硫胺素的影响本研究中作者通过网络分析、基因组解析宏基因组学及代谢通路重建相结合的方法，揭示了复杂微生物群落中的关键互作和维生素的交换机制。证明了Variovorax可以产生并分泌硫胺素，以支持依赖硫胺素的微生物生长。能否生产硫胺素可能是这些细菌在许多生态系统中的一个重要特征。
论文信息
原名：Vitamin interdependencies predicted by metagenomics-informed network analyses and validated in microbial community microcosms
译名：宏基因组与培养组联合预测维生素介导的菌群互作
期刊：Nature Communications
DOI：10.1038/s41467-023-40360-4
发表时间：2023年8月
通讯作者：Jillian F. Banfield
通讯作者单位：加利福尼亚大学伯克利分校
南京农业大学-土壤微生物与有机肥料团队
微生态与根际健康实验室
Lab of rhizosphere Micro-ecology
立足国家重大需求，探索前沿学科交叉
创新根际微生态研究、培养产教研创新人才
提升环境土壤生物一体化健康
竞争求发展，合作谋共赢
Competition & Cooperation
感谢您的关注和支持！
