实现环境菌群单细胞拉曼分选耦合测序

　　精确到一个细胞的拉曼分析—分选—测序。中科院青岛生物能源与过程研究所供图

　　（记者廖洋通讯员刘佳）近日，中科院青岛生物能源与过程研究所单细胞中心基于自主研制的重力驱动单细胞液滴包裹拉曼分选（RAGE）技术、仪器和相应试剂盒，首次实现了精确到一个细菌细胞、全基因组覆盖度超过92%的环境菌群单细胞拉曼分选耦合测序（scRACS-Seq），为环境微生物组原位代谢功能研究提供了一个强有力的新工具。相关论文发表于《美国微生物学会期刊》。

　　scRACS-Seq是剖析土壤等环境菌群代谢机制的重要手段。然而，针对环境菌群的scRACS-Seq一直以来存在两大瓶颈，一是难以无损、快速地获取具有特定拉曼表型的单个细胞；二是难以获得高覆盖度的单细胞基因组数据。

　　针对上述问题，该所单细胞中心荆晓艳、公衍海和徐腾等组成的联合攻关小组，基于前期发明的RAGE-Seq技术，从液相拉曼分析稳定同位素底物饲喂的土壤菌群出发，将特定拉曼表型的细菌单细胞精准分离并包裹到皮升级液滴中，进而耦合下游基因组测序。

　　研究结果表明，土壤菌群中细胞代谢活跃的低丰度物种可经耦合重水饲喂与标记的RAGE-Seq精准地识别和分选，其单细胞基因组覆盖率高达近93％；同样，基于RAGE-Seq，含类胡萝卜素的土壤微生物细胞能实现单个细胞分辨率、高基因组覆盖度的代谢重建，从而完整、深入地挖掘其类胡萝卜素合成途径。

　　此外，该工作还通过组分与状态均精确可控的人工菌群，建立了系统且严格的scRACS-Seq质量评价与控制体系。

　　基于该体系，团队发现，该技术能将不同拉曼表型的细菌单细胞从菌群中快速、精准分离，在保证单细胞拉曼光谱质量的同时，分选准确性达100%。此外，以来自于靶标细胞周围水相的空液滴为阴性对照，发现靶标细胞序列被菌群中其他细胞DNA污染的概率极低。这些工作定量证明了scRACS-Seq的灵敏度、特异性和可靠性。

　　在此基础上，单细胞中心研制和产业化单细胞拉曼分选—测序耦合系统（RACS-Seq仪器），以及相应的RAGE芯片和单细胞分析试剂盒。该系统广谱适用于细菌、古菌、真菌和动植物细胞，服务于涵盖各种复杂生态系统的研究和应用。