分解代谢是微生物细胞中什么的一个过程，细菌分解代谢产物在细菌鉴定中的意义

研究土壤化学和肠道微生物的研究人员最重要的问题是阐明土壤和肠道中的微生物与其周围物质之间的相互作用，即哪些细菌摄入哪些物质以及释放哪些物质。了解土壤有机质循环、土壤营养和宿主肠道微生物群的代谢调节。

分享代谢组学和蛋白质组学文献。今天我分享一篇2018年发表在Nature Communications上的文章，内容是关于如何研究土壤微生物与代谢物之间的关系。文章除了提供简单明了的研究思路外，还使用了16SrRNA基因测序的比例。是一种较为可靠的物种注释方法。让我们一起了解更多。

1研究背景

本文的研究对象是生物结皮，它是干旱和半干旱地区重要的地表覆盖物，由细菌、真菌、藻类和其他隐秘植物及其菌丝体和分泌物组成。土壤-砾石结合，与其他土壤一样，生物结皮也含有有机质（SOM），对维持土壤湿度和增加微生物多样性具有重要作用，分享代谢组学和蛋白质组学方面的文献，以及多样性和丰富性微生物群落的研究，对于不同生态系统土壤中的有机质（包括极地土壤、农业土壤和干旱土壤）也显示出积极的结果。

目前，土壤微生物回收的有机物被认为是微生物代谢物的复杂混合物，土壤代谢组学用于详细描述其特征并推断微生物与代谢物之间的关系。

代谢组学和蛋白质组学文献分享，本研究作者讨论了生物结皮不同润湿时间和不同传代阶段代谢物和微生物的动态变化，并对从生物结皮中分离培养的细菌进行了分析。 （释放和消耗）用于预测密切相关的微生物与活性生物结皮中相应代谢物之间的关系。

2 调查方法

1、群组设置：

实验组：4个生物结皮连续阶段（图1中的A-D），5次润湿次数，每组重复5次，共100个样品。

对照组1：无菌超纯水（3个重复），可减去背景噪音。

对照组2：生物结皮高温灭菌4次（D阶段，5个润湿时间点，3次重复）。它旨在消除非生物因素（光解、吸附等）引起的代谢差异。

图1 生物焦痂形成的四个阶段

2、研究方法：

代谢组学（5 个生物重复）、宏基因组学（1 个生物重复）、转录组学（其他学者的数据）

3、检测平台：

实验组：正模式： Q-TOF，负模式： QE。

控制组2：（正模式和负模式）QE

宏基因组：Illumina HiSeq 4000

4、数据分析：

Matlab R2016A: 多因素方差分析和多重比较分析、R: Spearman 相关分析、精确二项式检验、KEGG 路径。

5、实验过程：

图2 实验流程图

注意，黄色显示的Exometabolomics是与本文作者同一实验室工作人员于2016年发表在Nature Communications上的研究成果，稍后我会简单解释一下，以便让这篇论文更容易理解。

2016 年文章亮点：

（1）从生物结皮（与本研究相同的地点收集）中分离培养了七种细菌（鞘藻属的一种光合自养细菌和六种异养细菌）。

(2)将生物结皮中更丰富的鞘氨醇细菌的细胞提取物的代谢特征与用过的基础培养基的代谢特征进行比较，我们发现细菌细胞内的大部分物质都释放到培养物中；事实证明。 （在生物结皮的情况下，它们被释放到土壤中）（如图3所示，绿色是细胞提取物，蓝色是用过的基础培养基中的代谢物），因此使用细胞提取物来模拟生物结皮环境。

图3 迷走微鞘PCC 9802 细胞提取物和消耗的基本培养基代谢物的比较。

（3）将上述鞘翅目细菌和六种异养细菌的细胞提取物添加到基础培养基中，模拟生物地壳环境，对六种异养细菌分别进行培养，研究代谢组蛋白质组学。将最后空培养基的代谢曲线与培养基被细菌消耗后的代谢曲线进行比较，如果该物质的含量减少，则认为被细菌消耗，含量增加的话，它很可能已被细菌消耗掉。据信是由细菌产生的，从而确定了这六种细菌与其相应代谢物之间的关系。

3 研究成果

1.代谢物根据润湿时间和过渡阶段呈现有规律的变化，润湿时间对代谢物变化的影响大于过渡阶段的影响。

图4 生物结皮中代谢物的分布类型

通过对不同润湿时间和持续阶段的材料进行聚类，发现材料主要聚类为三类（簇1、簇2和簇3）。

第1 类：主要是脂肪酸。在各个过渡阶段的早期含量最高，并随着时间的推移而减少。

簇2：主要是极性氨基酸和核苷酸碱基。内容从3分钟增加到18小时，然后减少。

集群3：较晚的时间点有更多的积累和更成熟的生物外壳。

为了比较润湿时间和过渡阶段这两个因素对代谢物变化的影响，我们根据物质的峰面积进行了主成分分析（图5）。在第一主成分的方向上区分得更清楚，并且在第二主成分的方向上区分不同的顺序步骤更清楚，表明润湿时间对代谢物变化有显着影响。

图5 PCA评分图

2. 由于生物活性导致代谢物在不同连续阶段的动态变化

为了找出这些物质的哪些变化是由生物活性引起的，作者将这些物质在不同传代阶段和湿润时间的变化与高温灭菌对照组进行了比较，发现有53种物质经历了高温灭菌。发现它们是相关的。细菌对照组（图6中标有“*”的物质）有显着差异，其他物质是非生物因素造成的。

图6 活性生物结皮与高温灭菌组相比代谢物的动态变化。

3. 微生物群落结构和润湿时间的宏基因组推断，以及不同演替阶段群落结构的变化

在对代谢物进行初步分析后，作者对样本进行了宏基因组测序，但物种注释方法使用了更稳定可靠的核糖体蛋白基因进行注释，而不是16S rRNA基因测序。相比16SrRNA基因测序，核糖体蛋白基因具有三大优势：

核糖体蛋白基因几乎在每个基因组中都以单拷贝形式存在。

宏基因组数据集的组装效率良好（通常优于16S rRNA基因）。

保存良好，并构建了更高分辨率的系统发育树。表1 生物外壳宏基因组中鉴定出的17个核糖体蛋白基因

作者从这些基因中总共鉴定出了17 个核糖体蛋白基因（表1）。其中L15核糖体蛋白基因群落达到466个基因，覆盖范围最广，因此我们选择该基因进行物质注释和丰度计算。通过微生物群落结构分析、代谢组学和蛋白质组学文献共享表明，润湿前期（3 min）和后期（49.5 h）蓝藻丰度显着增加，从17-28%增加到49.5 h。我们发现：厚壁菌门丰度下降了：1 3%；而厚壁菌门丰度在润湿早期（3分钟）和后期（49.5小时）显着增加，从4-5%到49.5小时增加到：的19-39%。其他细菌门（如放线菌门和变形菌门）没有明显变化。也就是说，它受润湿效应的影响较小（图7）。

图7 不同润湿时间和不同演替阶段（门水平）微生物群落分布。

4、组装的rplO基因与分离培养的细菌rplO基因的比较

基于2016年论文中提到的微生物与代谢物之间的关系，本研究的作者组装了宏基因组基因组，以推断生物外壳中微生物与代谢物之间的关系，并将rplO基因与分离的基因进行了比较。当我们将rplO基因序列与2016年论文中培养的细菌进行相似度比较时，保留相似度为86%以上的细菌，并计算平均碱基同一性（ANI），共有4个细菌具有较高的值。如图2所示，这些细菌与分离培养的细菌密切相关，表明每种细菌都可以代表一种细菌类型。而且，这四种细菌占微生物群落总数的30%以上，被认为是主要物种。

表2 相应生物结皮中分离培养的细菌及其密切相关的细菌种类。

将16年来的代谢结果与本次研究的代谢结果进行比较，共有32种物质，其中9种是由于非生物因素造成的，排除后，根据峰面积确定剩余23种物质。我们对地壳中的四种细菌进行了关联，并将它们与16 年期间获得的微生物代谢物（消耗或产生）关系进行了比较。分享代谢组学和蛋白质组学文献，正如所料，消耗的代谢物和细菌丰度之间存在负相关关系，而产生的代谢物和细菌丰度之间存在正相关关系，应该有关系（图8）。经过Spearman相关分析，发现48个微生物-代谢物关系，其中69%与预期一致。

图8 生物结皮中微生物与代谢物之间的预期关系

图9 以食物网的形式显示了这种关系。图中红实线表示有物质释放，微生物与代谢物的关系与2016年论文的结果一致。线表示差异，蓝色实线表示物质、消耗和微生物代谢物关系与2016年论文的结果一致，而虚线表示差异。分享代谢组学和蛋白质组学文献，我们绘制了三种细菌丰度与C 阶段润湿时间函数的曲线（下部灰色曲线）。可以看出，在湿润初期，Microcoleus sp. 的丰度较高。随着润湿时间的进展，细胞内物质被释放到周围环境中，芽孢杆菌属sp.1和芽孢杆菌属sp.释放物质的量开始逐渐增加，而Microcoleus sp.（学院藻类）的量迅速增加。藻类）逐渐减少。这表明Microcoleus sp. 是初级生产者，主要为其他异养微生物提供营养。

图9 三种生物结皮中主要微生物的食物网

注意：芽球菌属未显示在图表中，因为它不受湿度的显着影响。

5. 转录组验证

之后，作者对上述结果进行了简单验证，并对其他学者创建的生物结皮的转录数据（也对应了本研究的采样地点）进行了KEGG通路分析，发现氨基酸合成途径但分解代谢是基本没有变化或略有增加（图11）。分享代谢组学和蛋白质组学文献，这也与代谢物聚类分析（图1）一致，其中聚类2主要含有氨基酸，并且在润湿的早期和中期阶段更丰富。

图10 阴道分枝杆菌基因表达随湿润时间的变化而变化。

4。结论

在润湿事件和生物结皮发育阶段，大多数土壤代谢物与四种主要细菌物种显示出预期的关系（正向或负向）。

分享代谢组学和蛋白质组学文献，研究结果表明，代谢物分析、宏基因组鸟枪法测序和细胞外代谢组学可以成功地整合到微生物群落结构和代谢物组成的功能分析中，整合土壤微生物和土壤化学。复杂生态系统中的微生物网络。