利用拉曼光镊技术解析水圈未培养微生物的硫循环驱动

In the sulfur biogeochemical cycle, the action of hydrosphere microbes is a very important driving force. However，the vast majority of microbes which drive the sulfur cycle is unculturable. It remains obscure for the mechanism of sulfur metabolism in the cell, the constitution of microbial population and the maintenance of ecological niche. In the proposal, we design and develop an in situ, culture-independent, non-destructive, label-free laser tweezers Raman spectroscopy technique to analyze the water microbes. Combined with the techniques of microfluidic chip, single-cell sequencing and metagenomics, we will identify the microorganisms involved in the sulfur cycle and their contribution in the sulfur cycle, analyze the formation and degradation of sulfur globules in the uncultured sulfur-oxidizing bacteria, observe the affection of sulfur globules on the constitution, diversity and structures of the microbial population, explore the mechanism of interactions between microbes for the sulfur cycle driving. We expect the new technology will help us find the influence of uncultured functional microbes living in sulfur-rich environment on the microbial community structure and sulfur biogeochemical cycle and reveal the mechanism how hydrosphere microbes drive the sulfur cycle.

在硫元素生物地球化学循环中，水圈微生物的驱动发挥着巨大作用。然而，在驱动硫循环的水圈微生物群体中存在大量未培养微生物，其硫代谢机制、微生物群体的组成和维持群体结构的机制还很不明确。我们设计以不依赖于纯培养、原位无损、非标记的拉曼光镊技术，结合微流芯片原位模拟、单细胞测序以及宏基因组等技术，监测参与硫代谢循环的未培养微生物多样性和在硫循环中的贡献，解析硫氧化菌群体形成和降解零价硫小球的机制，观察零价硫小球中间体对微生物群落结构构成、多样性调控的影响，探讨硫驱动群落中微生物互作的机理, 以期通过拉曼光镊新技术的研发和改进来发现富硫水圈中未培养微生物中参与硫循环的功能微生物及其群落架构，阐释水圈微生物推动硫元素循环的分子机制。

水圈微生物在驱动硫元素生物地球化学循环中发挥着巨大的作用。然而，由于原位研究手段的限制，水圈微生物驱动硫循环的代谢途径、分子机制及生态菌落构成还很不明确。本项目聚焦水圈微生物研究的新技术与新方法，利用不依赖于纯培养、原位、无损、非标记的拉曼光镊技术，在操纵微生物单细胞的同时采集其拉曼组，建立微生物拉曼组数据库。结合人工智能机器学习技术，基于拉曼组对微生物进行鉴定，鉴定的平均正确率达到95.64%±5.46%。鉴于人工智能分析的“黑箱性”，通过逐一遮蔽光谱的理念建立了新型的微生物拉曼光谱特征峰提取技术，实现对人工智能如何分析微生物拉曼组的可视化呈现。研发了利用拉曼在单细胞水平原位定量表征零价硫的技术，结合三代测序和转录分析，发现海洋厌氧光合紫硫细菌Thiophaeococcus mangrovi中存在不同于dsr和sox的未知硫代谢途径参与硫代硫酸盐形成元素硫的过程。合作研发完成拉曼结合生成对抗网络鉴定海洋病原菌的方法，利用研发的单分子技术解析富硫热泉中冰岛硫化叶菌Cren7和Sis7d压缩DNA的机制。本项目通过拉曼光镊、人工智能和单分子等一系列新技术的研发和融合来拓展富硫水圈原位鉴定表征微生物的研究手段，最终将不依赖于纯培养解析水圈微生物推动地球硫元素循环的途径及机理。