中国科学院生态环境研究中心刘斌研究员等在高通量定量表征厌氧微生物细胞状态方面取得新进展，相关研究成果以“Growth stage and interspecies interactions shape the cell biology and cell cycle characteristics of human gut bacteria Bacteroides thetaiotaomicron and Roseburia intestinalis”为题发表于Communications Biology (DOI: https://doi.org/10.1038/s42003-025-08949-1)。
在微生物学领域，绝大多数厌氧微生物及非模式物种的细胞生物学特性（如形态演变、胞内组织和细胞周期）仍处于“黑箱”状态。由于缺乏有效的原位成像和定量表征手段，我们对这些物种如何响应环境波动的认知极度匮乏。长期以来，细胞生物学的经典模型（如大肠杆菌、枯草芽孢杆菌）定义了我们对细菌生长和分裂的认知。然而，自然界中大量存在的厌氧微生物和非模式物种展现出截然不同的生理特征。受限于严格的厌氧培养条件和成像兼容性，这些物种的单细胞定量研究一直面临巨大挑战，限制了我们对生物多样性本质的理解。为此，研究团队打破了厌氧与非模式物种的研究瓶颈，构建了一整套相对普适性的单细胞定量表征体系。为了攻克非模式厌氧菌难以观察的难题，研究团队开发了一套组合染色实验方案与基于人工智能算法的计算分析流水线。该体系不依赖于遗传操作（这对多数非模式物种尤为重要），实现了对复杂细胞组分的同步可视化。主要包括利用Hoechst 33342（类核）、RNASelect（总RNA）、FM4-64（细胞膜）及HADA（荧光D-氨基酸，监测肽聚糖合成）等多种有机染料，构建了适用于厌氧环境的染色矩阵，实现了细胞多组分的同步成像；同时，结合基于人工智能的自动化识别图像处理方式，实现了对数千个单细胞形态特征、亚细胞组分分布及细胞周期状态的精准定量。
研究团队以代表性的非模式厌氧菌，多形拟杆菌（B. thetaiotaomicron）和肠道罗斯氏菌（R. intestinalis）为对象，发现了显著区别于模式生物的生物学规律：1.发现非模式菌 R. intestinalis 具有独特的细胞壁合成模式（带状肽聚糖合成模式），且在生长过程中存在非对称分裂现象，突破了传统对称分裂的普适性认知；2.异质性的环境响应策略：在营养耗尽的压力下，不同物种表现出完全相反的形态响应（一种细胞变宽，另一种则变短并伴随剧烈的胞内组分重组），揭示了非模式物种进化的多样性适应机制；3.种间互作对细胞发育的重塑：研究证实，复杂的种间相互作用会从底层重塑非模式物种的细胞形态和转录组图谱。该研究证明了结合多重染色与定量图像分析的方法，是研究非模式、难培养、对氧敏感微生物的有力工具。这一进展不仅填补了厌氧细菌细胞生物学数据的空白，也为在单细胞水平上探索更多自然环境（如土壤、沉积物等）中未知物种的生命活动提供了范式，对于完善微生物生命树的细胞发育图谱具有重要意义。
图. 高通量定量表征厌氧微生物细胞状态
本研究由中国科学院生态环境研究中心牵头，联合比利时鲁汶大学Karoline Faust教授团队和Sander Govers教授团队等多家单位共同完成。中国科学院生态环境研究中心刘斌研究员为该论文的第一作者。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s42003-025-08949-1。
环境生物技术实验室
2025年12月31日