Cell Rep Methods | 戴磊课题组开发微生物组自动化空间成像平台SEER-Map ...

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微生物群落的空间结构深刻影响着物种间的相互作用及宿主的健康状态，是 解析 微生态功能的关键。然而，主流高通量测序技术 往往无法 保留微生物的原位空间信息； 荧光原位杂交（ FISH ）技术虽能在单细胞分辨率下 实现微生物 的原位可视化分析， 但受限于传统光学成像 的 性能瓶颈与繁琐的人工操作流程，其在高复杂度物种标记、高通量实验、多重检测及规模化应用方面面临显著 挑战 。因此，突破人工操作依赖，在单细胞分辨率下对复杂微生物群落实现高通量、自动化的原位空间全景成像与分析，是当前空间微生物组学领域亟待突破的关键 问题 。
近日 ， 中国科学院深圳先进技术研究院定量合成生物学全国重点实验室、合成生物学研究所 戴磊 课题组在 Cell Reports Methods 上发表研究论文Spatial mapping of microbial communities by an integrated automation platform of sequential FISH。团队在 前期 开发的 SEER-FISH 技术基础上，进一步构建了序贯容错荧光原位杂交自动化空间成像平台SEER-Map。该平台可在无人值守条件下连续完成40轮杂交成像，同时依托优化的样品前处理方案，大幅降低了试剂成本，为系统解析微生物群落在微米尺度的空间生物地理分布和物种互作关系提供了强有力的技术工具。
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戴磊课题组此前开发的基于容错编码的序贯荧光原位杂交（ SEER-FISH ）技术，已成功突破了传统光学成像在荧光通道数量上的限制（成果回顾：）。 然而，该技术依赖手动操作完成每一轮的杂交 - 成像 - 解离循环，在实际应用中仍面临标准化、复用性与规模化推广 的挑战 。
针对这一核心瓶颈，研究团队搭建了一套 集流体控制与显微镜成像于一体的自动化平台 。硬件 方面 ，该系统配备数十个独立可控的试剂端口，通过蠕动泵与流体歧管，将杂交缓冲液、洗涤液及探针解离试剂 精准 输送至 样本腔室。 软件层面，流体控制软件与显微镜成像系统协同运作，通过程序化编程 精准 调控多通道试剂的选择、流速 与 孵育时间 ，并与显微镜的图像采集软件联动，实现从样本预处理到多轮序贯杂交成像的自动运行。
3 R) `0 Y4 U5 A1 f2 `7 g- [该 系统的稳定性在实验 中 得到了充分验证。 在 累计时长约 15 小时 的 连续 40 轮自动化原位杂交实验 中， 定量 分析 结果显示 ， FITC 、 Cy3 、 Cy5 等荧光通道的杂交信号均保持高度稳定 。每轮解离步骤后的背景残留信号均被控制在 5% 以下， 充分 验证 了该系统的 稳定 性 及实验 结果 的 可靠性 ， 为大规模空间微生物组学研究提供了坚实的硬件支撑。
5 |% x2 V* ~7 {# i$ X6 X+ X4 F! p) @在 荧光原位杂交 中，样品前处理的质量直接影响了 微生物的 检测效率。 研究团队通过系统梯度实验，评估了溶菌酶处理与杂交反应中探针使用 浓度的 协同作用 。结果 表明 ，在复杂的植物根际样品中， 采用 溶菌酶预处理并结合 12 nM 低浓度探针的优化方案，细菌细胞 检出 量较未处理组提升 111% 。
: V/ h# a. K5 n1 Q探针浓度由常规 200 nM 大幅降至 12 nM 后，在显著降低试剂成本的同时，实现了更优异的单细胞图像分割效果。低浓度探针在保证有效信号强度的 前提下，可有效 避免信号过饱和与扩散问题，显著提升密集细菌簇的单细胞图像分割精度。这一优化使 SEER-Map 在大规模应用中更具经济性与可行性。
, Y; |0 R8 I* r5 s) b9 S: y3 K% X为 验证 SEER-Map 的应用能力 ，研究团队对由 30 株 菌株组成的合成微生物群落 （ SynCom30 ）在拟南芥根系的 定殖情况 进行了全面的空间解析 。实验比较了两种拟南芥基因型：野生型（ Col-0 ）和香豆素合成缺陷突变体 f6'h1 。 F6'H1 基因是拟南芥根系分泌香豆素的关键基因，这 类 代谢物在促进铁吸收和选择性调控根际微生物组成方面发挥双重作用 。 实验 旨在 揭示宿主的化学信号对微 生物 群落空间结构的 精细 调控。
研究团队采用系统化的探针设计策略，基于全长 16S rRNA 序列进行系统发育聚类、共识序列生成和特异性探针筛选，并构建了 R8HD4 （ 8 轮、汉明距离 4 ）的纠错编码方案，确保了多轮杂交 过程 中物种的精准识别与 信号 解码。借助 SEER-Map ，研究团队在距根尖约 4 mm 的区域内绘制了群落内 28 种 定殖 细菌的高分辨空间分布图谱，展现出高检测 分辨率与 灵敏度。通过空间生态学分析发现，根表 定殖 的微生物并非随机分布 。 线性偶极 分析 算法显示 ， 其在约 20  μm 范围内呈现显著的非随机聚集模式，形成了具有结构化特征的微小聚集体。在更微观的 10 μm 尺度下，不同分类群之间表现出复杂的正向与负向空间共现 关系。需要指出的是，微生物这种 微尺度的空间 关联 ， 不仅暗示 其 可能 存在 营养互养、竞争抑制等直接生态互作 关系 ，也反映 出 微生物受宿主环境驱动 形成的共性 或差异化生态位偏好。此外，研究进一步揭示了宿主基因型对 定殖 偏好的精细调控：尽管农杆菌（ Agrobacterium  sp. ）在不同基因型中均倾向于 定殖 在根分化区，但溶杆菌（ Lysobacter  sp. ）在 f6'h1 突变体中表现出根尖富集趋向。这些空间分布差异显示 ， 宿主分泌的香豆素类代谢物正在重塑根际微生物的空间分布格局。
SEER-Map 平台的构建，依托自动化的流体 - 成像集成系统与优化的样品前处理方案，成功突破了 原有 序贯荧光原位杂交技术在检测通量、实验成本及标准化推广方面的瓶颈。研究团队在拟南芥叶片与水稻根系等多种典型植物 - 微生物互作界面的验证实验，充分 展现了 该平台的广谱适用性与广阔应用前景。
中国科学院深圳先进技术研究院定量合成生物学全国重点实验室、合成生物学研究所 戴磊 研究员为本文通讯作者，中国科学院深圳先进 技术研究 院合成生物学研究所博士生 曹朝辉 为本文第一作者 ， 深圳先进院为第一完成单位 。
原文链接：https://www.cell.com/cell-reports-methods/fulltext/S2667-2375(26)00081-0
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