近年来，合成生物学在构建人工微生物和藻类群落方面取得了重大进展。藻类群落可以根据形态、大小、细胞功能和相互作用关系分为不同亚群。然而，基于形态学的分类具有局限性，因为许多不同类型的细胞具有相似的形态，急需新的方法和工具的出现和推动。
Spectral flow cytometry
显微镜和色素分析是研究微生物和藻类群落的经典传统方法，但在通量和分辨率方面有很大限制。流式细胞术作为一种强大高效的工具，也已广泛应用于浮游植物分析。然而传统的流式细胞术难以将合成群落中的不同亚群区分开来；而成像流式细胞术只能配置少数几个荧光通道，且分析速度较慢。全光谱流式技术的出现，使得研究者能够根据细胞的大小、复杂性和光谱指纹对其进行高通量、无标记的多维分析，提供比传统流式技术更精确、更全面的鉴定分析结果。
来自纳扎尔巴耶夫大学与杜伊斯堡-埃森大学的研究者，将索尼ID7000光谱流式引入到合成藻类-微生物群落分析的研究领域，实现了从物种鉴定到计数的快速、高通量分析，为了解浮游植物群落的组成、结构和进化动力学，以及对影响群落结构的环境压力源的反应提供了宝贵的见解。
建立单种属藻类的自发荧光指纹库
图1. Sony ID7000记录藻类自发荧光指纹流程
分析复杂群落的第一步需要建立一个具有不同浮游植物亚群独特光谱特征的指纹库。为此，作者首先在7激光ID7000光谱流式仪上记录单个浮游植物培养物，提取单个光谱特征。图1以分析微囊藻属单一培养物的一般工作流程为例，使用“Autofluorescence Finder”工具，在设定最佳虚拟滤光片波长（virtual filter, VF）下，可观察到自发荧光群体之间的明显分离，成功提取了Microcystis sp.的独特光谱指纹（图1d）。
图2. Sony ID7000精确区分9种单细胞蓝藻混合物
为了区分悬液中的多种成分，研究者使用ID7000光谱流式分析了单细胞蓝藻混合物。通过建立每个藻种的AF指纹，实现了可区分的单个浮游植物物种的最大数量达到14种（图2）。
合成浮游植物群落环境动态监测
图3. Sony ID7000用于复杂合成群落中藻类进化丰度追踪
自然环境中藻类多以复杂的混合群落存在，藻类与其中的微生物组成互惠性的藻类-微生物联盟，这类联盟的进化动力学极难预测，长期稳态维持机制也缺乏了解。为评估全光谱流式技术在合成群落动态监测中的适用性，作者挑选了浮游植物群的 3 个代表——蓝藻、叶绿藻和隐藻构建合成群落。使用ID7000光谱流式仪的VF技术，建立这三类浮游植物群的光谱指纹库，跟踪了群落进化过程中的组分丰度变化（图3d/e）。发现从第四天开始，隐生植物特别是Chroomonas sp.，成长为群落中的优势群体，数量超过蓝藻藻属。
图4. 三种VF数据降维分析亚群组分对比
有趣的是，研究者同时也使用了滤光片式传统流式仪器，来分析上述合成群落的组分种属，比较了三种不同数据的混合种属区分度（图4）：第一组是ID7000 VF数据，第二组是在ID7000上选择与滤光片式传统流式仪器相同的通道呈现数据，最后是滤光片式传统流式仪器采集的藻类数据。通过Opt-SNE降维算法最小化“门控偏差”，结果显示ID7000两组VF信息清晰地区分了群落中所有9个亚群，而在滤光片式传统流式仪器上无法区分单个Scherffelia sp.群体（cluster 6），突出了ID7000光谱流式的VF系统在分析多组分混合物时具有更高分辨率、灵活性和精确性。
浮游植物种类极其多样，开发基于光谱流式技术的方法快速评估微藻群落的动态，对于环境生态监测和微生物-藻类群落合成研究至关重要。由于浮游植物的自然变异性，在藻类-微生物群落的光谱分析中，需要在整个工作流程中采用可重复的方案和标准化，以最小化数据变异性，实现样本数据采集和分析的准确性。索尼 ID7000光谱流式软件具备一键Standardization标准化功能，确保了不同时间、不同实验室内ID7000上采集的数据稳定可重复性。在浮游植物研究的背景下，这意味着包含独特光谱特征的藻类指纹库可以在不同的实验、时间点和多台ID7000仪器中使用，从而最大限度地减少数据变异性，为群落结构、动态和对环境压力源的响应提供详细的见解，推动环境领域的深入发展。
Reference:
Ayagoz Meirkhanova, et al. Spectral algal fingerprinting and long sequencing in synthetic algal-microbial communities. bioRxiv 2024.07.08.602014; doi: https://doi.org/10.1101/2024.07.08.602014
