微生物群落的空間結構深刻影響著物種間的相互作用及宿主的健康狀態(tài)，是 解析 微生態(tài)功能的關鍵。然而，主流高通量測序技術 往往無法 保留微生物的原位空間信息； 熒光原位雜交（ FISH ）技術雖能在單細胞分辨率下 實現微生物 的原位可視化分析， 但受限于傳統光學成像 的 性能瓶頸與繁瑣的人工操作流程，其在高復雜度物種標記、高通量實驗、多重檢測及規(guī)模化應用方面面臨顯著 挑戰(zhàn) 。因此，突破人工操作依賴，在單細胞分辨率下對復雜微生物群落實現高通量、自動化的原位空間全景成像與分析，是當前空間微生物組學領域亟待突破的關鍵 問題 。

近日 ， 中國科學院深圳先進技術研究院定量合成生物學全國重點實驗室、合成生物學研究所 戴磊 課題組在 Cell Reports Methods 上發(fā)表研究論文Spatial mapping of microbial communities by an integrated automation platform of sequential FISH。團隊在 前期 開發(fā)的 SEER-FISH 技術基礎上，進一步構建了序貫容錯熒光原位雜交自動化空間成像平臺SEER-Map。該平臺可在無人值守條件下連續(xù)完成40輪雜交成像，同時依托優(yōu)化的樣品前處理方案，大幅降低了試劑成本，為系統解析微生物群落在微米尺度的空間生物地理分布和物種互作關系提供了強有力的技術工具。

戴磊課題組此前開發(fā)的基于容錯編碼的序貫熒光原位雜交（ SEER-FISH ）技術，已成功突破了傳統光學成像在熒光通道數量上的限制（成果回顧：）。 然而，該技術依賴手動操作完成每一輪的雜交 - 成像 - 解離循環(huán)，在實際應用中仍面臨標準化、復用性與規(guī)模化推廣 的挑戰(zhàn) 。

針對這一核心瓶頸，研究團隊搭建了一套 集流體控制與顯微鏡成像于一體的自動化平臺 。硬件 方面 ，該系統配備數十個獨立可控的試劑端口，通過蠕動泵與流體歧管，將雜交緩沖液、洗滌液及探針解離試劑 精準 輸送至 樣本腔室。 軟件層面，流體控制軟件與顯微鏡成像系統協同運作，通過程序化編程 精準 調控多通道試劑的選擇、流速 與 孵育時間 ，并與顯微鏡的圖像采集軟件聯動，實現從樣本預處理到多輪序貫雜交成像的自動運行。

該 系統的穩(wěn)定性在實驗 中 得到了充分驗證。 在 累計時長約 15 小時 的 連續(xù) 40 輪自動化原位雜交實驗 中， 定量 分析 結果顯示 ， FITC 、 Cy3 、 Cy5 等熒光通道的雜交信號均保持高度穩(wěn)定 。每輪解離步驟后的背景殘留信號均被控制在 5% 以下， 充分 驗證 了該系統的 穩(wěn)定 性 及實驗 結果 的 可靠性 ， 為大規(guī)模空間微生物組學研究提供了堅實的硬件支撐。

在 熒光原位雜交 中，樣品前處理的質量直接影響了 微生物的 檢測效率。 研究團隊通過系統梯度實驗，評估了溶菌酶處理與雜交反應中探針使用 濃度的 協同作用 。結果 表明 ，在復雜的植物根際樣品中， 采用 溶菌酶預處理并結合 12 nM 低濃度探針的優(yōu)化方案，細菌細胞 檢出 量較未處理組提升 111% 。

探針濃度由常規(guī) 200 nM 大幅降至 12 nM 后，在顯著降低試劑成本的同時，實現了更優(yōu)異的單細胞圖像分割效果。低濃度探針在保證有效信號強度的 前提下，可有效 避免信號過飽和與擴散問題，顯著提升密集細菌簇的單細胞圖像分割精度。這一優(yōu)化使 SEER-Map 在大規(guī)模應用中更具經濟性與可行性。

為 驗證 SEER-Map 的應用能力 ，研究團隊對由 30 株 菌株組成的合成微生物群落 （ SynCom30 ）在擬南芥根系的 定殖情況 進行了全面的空間解析 。實驗比較了兩種擬南芥基因型：野生型（ Col-0 ）和香豆素合成缺陷突變體 f6'h1 。 F6'H1 基因是擬南芥根系分泌香豆素的關鍵基因，這 類 代謝物在促進鐵吸收和選擇性調控根際微生物組成方面發(fā)揮雙重作用 。 實驗 旨在 揭示宿主的化學信號對微 生物 群落空間結構的 精細 調控。

研究團隊采用系統化的探針設計策略，基于全長 16S rRNA 序列進行系統發(fā)育聚類、共識序列生成和特異性探針篩選，并構建了 R8HD4 （ 8 輪、漢明距離 4 ）的糾錯編碼方案，確保了多輪雜交 過程 中物種的精準識別與 信號 解碼。借助 SEER-Map ，研究團隊在距根尖約 4 mm 的區(qū)域內繪制了群落內 28 種 定殖 細菌的高分辨空間分布圖譜，展現出高檢測 分辨率與 靈敏度。通過空間生態(tài)學分析發(fā)現，根表 定殖 的微生物并非隨機分布 。 線性偶極 分析 算法顯示 ， 其在約 20 μm 范圍內呈現顯著的非隨機聚集模式，形成了具有結構化特征的微小聚集體。在更微觀的 10 μm 尺度下，不同分類群之間表現出復雜的正向與負向空間共現 關系。需要指出的是，微生物這種 微尺度的空間 關聯 ， 不僅暗示 其 可能 存在 營養(yǎng)互養(yǎng)、競爭抑制等直接生態(tài)互作 關系 ，也反映 出 微生物受宿主環(huán)境驅動 形成的共性 或差異化生態(tài)位偏好。此外，研究進一步揭示了宿主基因型對 定殖 偏好的精細調控：盡管農桿菌（ Agrobacterium sp. ）在不同基因型中均傾向于 定殖 在根分化區(qū)，但溶桿菌（ Lysobacter sp. ）在 f6'h1 突變體中表現出根尖富集趨向。這些空間分布差異顯示 ， 宿主分泌的香豆素類代謝物正在重塑根際微生物的空間分布格局。

SEER-Map 平臺的構建，依托自動化的流體 - 成像集成系統與優(yōu)化的樣品前處理方案，成功突破了 原有 序貫熒光原位雜交技術在檢測通量、實驗成本及標準化推廣方面的瓶頸。研究團隊在擬南芥葉片與水稻根系等多種典型植物 - 微生物互作界面的驗證實驗，充分 展現了 該平臺的廣譜適用性與廣闊應用前景。

中國科學院深圳先進技術研究院定量合成生物學全國重點實驗室、合成生物學研究所 戴磊 研究員為本文通訊作者，中國科學院深圳先進 技術研究 院合成生物學研究所博士生 曹朝輝 為本文第一作者 ， 深圳先進院為第一完成單位 。

原文鏈接：https://www.cell.com/cell-reports-methods/fulltext/S2667-2375(26)00081-0

制版人：十一

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