Cell Reports Methods | 深圳先進院開發(fā)微生物組自動化空間成像平臺SEER-Map
微生物群落的空間結構深刻影響著物種間的相互作用及宿主的健康狀態(tài),是解析微生態(tài)功能的關鍵。然而,主流高通量測序技術往往無法保留微生物的原位空間信息;熒光原位雜交(FISH)技術雖能在單細胞分辨率下實現(xiàn)微生物的原位可視化分析,但受限于傳統(tǒng)光學成像的性能瓶頸與繁瑣的人工操作流程,其在高復雜度物種標記、高通量實驗、多重檢測及規(guī)?;瘧梅矫婷媾R顯著挑戰(zhàn)。因此,突破人工操作依賴,在單細胞分辨率下對復雜微生物群落實現(xiàn)高通量、自動化的原位空間全景成像與分析,是當前空間微生物組學領域亟待突破的關鍵問題。
2026年4月8日,中國科學院深圳先進技術研究院定量合成生物學全國重點實驗室、合成生物學研究所戴磊課題組在Cell Press旗下期刊Cell Reports Methods上發(fā)表研究論文《Spatial mapping of microbial communities by an integrated automation platform of sequential FISH》。團隊在前期開發(fā)的SEER-FISH技術基礎上,進一步構建了序貫容錯熒光原位雜交自動化空間成像平臺SEER-Map。該平臺可在無人值守條件下連續(xù)完成40輪雜交成像,同時依托優(yōu)化的樣品前處理方案,大幅降低了試劑成本,為系統(tǒng)解析微生物群落在微米尺度的空間生物地理分布和物種互作關系提供了強有力的技術工具。
01 從SEER-FISH到SEER-Map:序貫FISH技術的全自動化
戴磊課題組此前開發(fā)的基于容錯編碼的序貫熒光原位雜交(SEER-FISH)技術,已成功突破了傳統(tǒng)光學成像在熒光通道數(shù)量上的限制(成果回顧:Nature Communications | SEER-FISH成像技術:解析微生物組空間結構的新利器)。然而,該技術依賴手動操作完成每一輪的雜交-成像-解離循環(huán),在實際應用中仍面臨標準化、復用性與規(guī)?;茝V的挑戰(zhàn)。
針對這一核心瓶頸,研究團隊搭建了一套集流體控制與顯微鏡成像于一體的自動化平臺(圖1)。硬件方面,該系統(tǒng)配備數(shù)十個獨立可控的試劑端口,通過蠕動泵與流體歧管,將雜交緩沖液、洗滌液及探針解離試劑精準輸送至樣本腔室。軟件層面,流體控制軟件與顯微鏡成像系統(tǒng)協(xié)同運作,通過程序化編程精準調控多通道試劑的選擇、流速與孵育時間,并與顯微鏡的圖像采集軟件聯(lián)動,實現(xiàn)從樣本預處理到多輪序貫雜交成像的自動運行。
該系統(tǒng)的穩(wěn)定性在實驗中得到了充分驗證。在累計時長約15小時的連續(xù)40輪自動化原位雜交實驗中,定量分析結果顯示,F(xiàn)ITC、Cy3、Cy5等熒光通道的雜交信號均保持高度穩(wěn)定。每輪解離步驟后的背景殘留信號均被控制在5%以下,充分驗證了該系統(tǒng)的穩(wěn)定性及實驗結果的可靠性,為大規(guī)??臻g微生物組學研究提供了堅實的硬件支撐。
02 優(yōu)化樣品前處理方法:降本增效,檢測效率顯著提高
在熒光原位雜交中,樣品前處理的質量直接影響了微生物的檢測效率。研究團隊通過系統(tǒng)梯度實驗,評估了溶菌酶處理與雜交反應中探針使用濃度的協(xié)同作用。結果表明,在復雜的植物根際樣品中,采用溶菌酶預處理并結合12 nM低濃度探針的優(yōu)化方案,細菌細胞檢出量較未處理組提升111%。
探針濃度由常規(guī)200 nM大幅降至12 nM后,在顯著降低試劑成本的同時,實現(xiàn)了更優(yōu)異的單細胞圖像分割效果。低濃度探針在保證有效信號強度的前提下,可有效避免信號過飽和與擴散問題,顯著提升密集細菌簇的單細胞圖像分割精度。這一優(yōu)化使SEER-Map在大規(guī)模應用中更具經濟性與可行性。
03 解析復雜微生物群落在宿主環(huán)境下的空間圖譜
為驗證SEER-Map的應用能力,研究團隊對由30株菌株組成的合成微生物群落(SynCom30)在擬南芥根系的定殖情況進行了全面的空間解析(圖3)。實驗比較了兩種擬南芥基因型:野生型(Col-0)和香豆素合成缺陷突變體f6'h1。F6'H1基因是擬南芥根系分泌香豆素的關鍵基因,這類代謝物在促進鐵吸收和選擇性調控根際微生物組成方面發(fā)揮雙重作用。實驗旨在揭示宿主的化學信號對微生物群落空間結構的精細調控。
研究團隊采用系統(tǒng)化的探針設計策略,基于全長16S rRNA序列進行系統(tǒng)發(fā)育聚類、共識序列生成和特異性探針篩選,并構建了R8HD4(8輪、漢明距離4)的糾錯編碼方案,確保了多輪雜交過程中物種的精準識別與信號解碼。借助SEER-Map,研究團隊在距根尖約4 mm的區(qū)域內繪制了群落內28種定殖細菌的高分辨空間分布圖譜,展現(xiàn)出高檢測分辨率與靈敏度。通過空間生態(tài)學分析發(fā)現(xiàn),根表定殖的微生物并非隨機分布。線性偶極分析算法顯示,其在約20 μm范圍內呈現(xiàn)顯著的非隨機聚集模式,形成了具有結構化特征的微小聚集體。在更微觀的10 μm尺度下,不同分類群之間表現(xiàn)出復雜的正向與負向空間共現(xiàn)關系。需要指出的是,微生物這種微尺度的空間關聯(lián),不僅暗示其可能存在營養(yǎng)互養(yǎng)、競爭抑制等直接生態(tài)互作關系,也反映出微生物受宿主環(huán)境驅動形成的共性或差異化生態(tài)位偏好。此外,研究進一步揭示了宿主基因型對定殖偏好的精細調控:盡管農桿菌(Agrobacterium sp.)在不同基因型中均傾向于定殖在根分化區(qū),但溶桿菌(Lysobacter sp.)在f6'h1突變體中表現(xiàn)出根尖富集趨向。這些空間分布差異顯示,宿主分泌的香豆素類代謝物正在重塑根際微生物的空間分布格局。
04 總結與展望
SEER-Map平臺的構建,依托自動化的流體-成像集成系統(tǒng)與優(yōu)化的樣品前處理方案,成功突破了原有序貫熒光原位雜交技術在檢測通量、實驗成本及標準化推廣方面的瓶頸。研究團隊在擬南芥葉片與水稻根系等多種典型植物-微生物互作界面的驗證實驗,充分展現(xiàn)了該平臺的廣譜適用性與廣闊應用前景。
中國科學院深圳先進技術研究院定量合成生物學全國重點實驗室、合成生物學研究所戴磊研究員為本文通訊作者,中國科學院深圳先進技術研究院合成生物學研究所博士生曹朝輝為本文第一作者,深圳先進院為第一完成單位。本研究獲深圳醫(yī)學研究專項和國家自然科學基金的資助,并依托深圳合成生物研究重大科技基礎設施順利完成。

文章上線截圖

圖1. SEER-Map自動化平臺實現(xiàn)穩(wěn)健、高擴展性的微生物群落空間成像

圖2.?樣品前處理優(yōu)化顯著提升細菌檢測效率

圖3.?擬南芥根系定殖微生物群落的高分辨率空間解析
附件下載: