青岛能源所建立拉曼介导靶向元基因组技术研究海洋固碳机制

海洋覆盖地球表面的71%，是地球上最大的活跃碳库。海洋微生物个体虽小，但数量极大，每年固定二氧化碳达22亿吨，占地球上年生物固碳总量的一半以上。然而，海洋微生物的原位功能通常难以直接测量而且绝大多数尚未培养。因此，如何直接建立细胞原位功能与基因组的关联一直是业界的关键方法学挑战。近日，中国科学院青岛生物能源与过程研究所单细胞中心建立了拉曼介导的靶向元基因组技术（Ramanome-Guided Metagenomics；RGM），RGM首先通过单细胞拉曼光谱表征与识别细胞原位固碳功能，然后准确地分选出特定固碳功能的单细胞，并与基因组测序相耦合。由于其不依赖于细胞培养而且不需荧光标记细胞，因此RGM技术为海洋微生物组原位功能研究提供了崭新的思路与方法，该工作近期发表于Environmental Microbiology（doi: 10.1111/1462-2920.14268）。

单细胞中心的荆晓艳、勾洪磊和公衍海等人合作，首先开发了“All-in-One”单细胞拉曼分选与测序一体化器件，以提高从复杂环境样品中拉曼分选细胞的质量和通量。他们以中国黄海近海真光层的新鲜海水为模式，用13C-NaHCO3饲喂其微生物组，然后通过测量海水拉曼组中各个单细胞拉曼图谱上13C峰的动态特征，从而分辨在海水中活跃固定与代谢无机碳的单细胞群。进而基于“All-in-One”单细胞拉曼分选与测序器件，分选这些原位固碳单细胞群，并测定其DNA序列，以重构出基因组草图（图1）。研究人员发现，在该海域，固定与代谢无机碳的优势物种为Synechococcus spp.和Pelagibacter spp.，二者都含有类胡萝卜素并且均将无机碳源中的13C整合入细胞中。与这些功能相吻合，Synechococcus spp.和Pelagibacter spp.的基因组上都带有类胡萝卜素合成，光能量捕获和CO2固定所需的关键基因。而且，Pelagibacter spp.拥有β-胡萝卜素、视紫质合成和利用回补反应固碳的代谢通路。

作为海洋中数量最丰富的细菌类群，Pelagibacter spp.是否在海洋中原位固定二氧化碳，业界一直众说纷纭。这一工作为该重大问题的回答贡献了崭新的证据，并提出了相应的分子机制。同时，RGM技术的建立为在各种时空尺度探讨海洋微生物组“Genome-Phenome”关联机制，奠定了方法学基础。

上述工作由英国牛津大学工程系黄巍和中科院青岛能源所单细胞中心徐健合作指导完成，获得了国家自然科学基金委和中科院微生物组计划等项目的支持。