精確到一個(ge) 細胞的拉曼分析—分選—測序（中科院青島能源所供圖）

單細胞拉曼分選耦合測序（RACS-Seq）是剖析環境菌群功能機製的重要手段，但拉曼分選後單個(ge) 細菌細胞基因組的覆蓋度通常低於(yu) 10%，極大限製了其應用。

近日，中國科學院青島生物能源與(yu) 過程研究所單細胞中心基於(yu) 自主研製的RAGE（重力驅動單細胞液滴包裹拉曼分選）技術、儀(yi) 器和相應試劑盒，首次實現了精確到一個(ge) 細菌細胞、全基因組覆蓋度超過92%的環境菌群scRACS-Seq，為(wei) 環境微生物組原位代謝功能研究提供了一個(ge) 強有力的新工具。

土壤是地球上最重要的生態係統之一，土壤微生物組的代謝活動支撐著農(nong) 業(ye) 與(yu) 畜牧業(ye) ，也在地球元素循環、全球氣候變化中起著關(guan) 鍵性作用。同時，土壤菌群也是地球上最多樣與(yu) 最複雜的微生物組之一，其中大部分微生物尚難以培養(yang) ，因此，單個(ge) 細胞精度的拉曼分析—分選—測序（Single-cell RACS-Seq，簡稱scRACS-Seq）策略，是剖析土壤等環境菌群之代謝機製的重要手段。

然而，針對環境菌群的scRACS-Seq一直以來存在兩(liang) 大瓶頸，一是難以無損、快速地獲取具有特定拉曼表型的單個(ge) 細胞；二是難以獲得高覆蓋度的單細胞基因組數據。這已經成為(wei) scRACS-Seq技術體(ti) 係在複雜菌群中廣泛應用的關(guan) 鍵瓶頸。

針對這一共性難點問題，該所單細胞中心荊曉豔、公衍海和徐騰等組成的聯合攻關(guan) 小組，基於(yu) 前期發明的RAGE-Seq技術，從(cong) 液相拉曼分析穩定同位素底物飼喂的土壤菌群出發，將特定拉曼表型的細菌單細胞精準分離並包裹到皮升級液滴中，進而耦合下遊基因組測序。

研究結果表明，土壤菌群中細胞代謝活躍的低豐(feng) 度物種可經耦合重水飼喂與(yu) 標記的RAGE-Seq精準地識別和分選，其單細胞基因組覆蓋率高達近93％；同樣，基於(yu) RAGE-Seq，含類胡蘿卜素的土壤微生物細胞能實現單個(ge) 細胞分辨率、高基因組覆蓋度的代謝重建，從(cong) 而完整、深入地挖掘其類胡蘿卜素合成途徑；這些“原位”合成類胡蘿卜素的土壤微生物細胞中，既有代謝活躍的，也相當部分是惰性的，表明基於(yu) 純培養(yang) 的策略勢必錯失這些代謝惰性的功能微生物，因此“原位”、單細胞精度的功能細胞識別和分離，對於(yu) 全麵、客觀的菌群功能剖析和資源挖掘具有重要意義(yi) 。

此外，該工作還通過組分與(yu) 狀態均精確可控的人工菌群，建立了係統且嚴(yan) 格的scRACS-Seq質量評價(jia) 與(yu) 控製體(ti) 係。

基於(yu) 該體(ti) 係，團隊發現，該技術能將不同拉曼表型的細菌單細胞從(cong) 菌群中快速、精準分離，在保證單細胞拉曼光譜質量的同時，分選準確性達100%。此外，以來自於(yu) 靶標細胞周圍水相的空液滴為(wei) 陰性對照，發現靶標細胞序列被菌群中其他細胞DNA汙染的概率極低。這些工作定量證明了scRACS-Seq的靈敏度、特異性和可靠性。

記者了解到，作為(wei) RACS技術家族的新成員，scRACS-Seq可以在複雜菌群中以單個(ge) 微生物細胞的分辨率建立新陳代謝與(yu) 基因組的聯係，從(cong) 而精確回答“誰在做什麽(me) ，為(wei) 什麽(me) ”。

在此基礎上，單細胞中心研製和產(chan) 業(ye) 化了單細胞拉曼分選—測序耦合係統（RACS-Seq儀(yi) 器），以及相應的RAGE芯片和單細胞分析試劑盒。試劑盒包括環境樣品中微生物單細胞提取與(yu) 製備、穩定同位素飼喂細胞、單細胞核酸裂解與(yu) 擴增等環節的應用。該係統廣譜適用於(yu) 細菌、古菌、真菌和動植物細胞，服務於(yu) 涵蓋各種複雜生態係統的研究和應用。

該工作獲得了中國科學院“土壤—微生物係統功能及其調控”先導專(zhuan) 項、國家自然科學基金委、青島星賽生物科技有限公司等的支持。

相關(guan) 論文信息：https://journals.asm.org/doi/10.1128/mSystems.00181-21


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