Abstract Unbiased single-cell proteomics (scProteomics) promises to advance our understanding of cell functions within complex biological systems. However, a major challenge for current methods is their ability to identify and provide accurate quantitative information for low abundance proteins. Herein, we describe an ion mobility-enhanced mass spectrometry acquisition and peptide identification method, TIFF (Transferring Identification based on FAIMS Filtering), designed to improve the sensitivity and accuracy of label-free scProteomics. TIFF significantly extends the ion accumulation times for peptide ions by filtering out singly charged background ions. The peptide identities are then assigned by a 3-dimensional MS1 feature matching approach (retention time, accurate mass, and FAIMS compensation voltage). The TIFF method enabled unbiased proteome analysis to a depth of >1,700 proteins in single HeLa cells with >1,100 proteins consistently quantified. As a demonstration, we applied the TIFF method to obtain temporal proteome profiles of >150 single murine macrophage cells during a lipopolysaccharide stimulation experiment and identified time-dependent proteome profiles.

Abstract Effective phosphoproteome of nanoscale sample analysis remains a daunting task, primarily due to significant sample loss associated with non-specific surface adsorption during enrichment of low stoichiometric phosphopeptide. We developed a novel tandem tip phosphoproteomics sample preparation method that is capable of sample cleanup and enrichment without additional sample transfer, and its integration with our recently developed SOP (Surfactant-assisted One-Pot sample preparation) and iBASIL (improved Boosting to Amplify Signal with Isobaric Labeling) approaches provides a streamlined workflow enabling sensitive, high-throughput nanoscale phosphoproteome measurements. This approach significantly reduces both sample loss and processing time, allowing the identification of >3,000 (>9,500) phosphopeptides from 1 (10) µg of cell lysate using the label-free method without a spectral library. It also enabled precise quantification of ∼600 phosphopeptides from 100 cells sorted by FACS (single-cell level input for the enriched phosphopeptides) and ∼700 phosphopeptides from human spleen tissue voxels with a spatial resolution of 200 µm (equivalent to ∼100 cells) in a high-throughput manner. The new workflow opens avenues for phosphoproteome profiling of mass-limited samples at the low nanogram level.

Microbial community succession is a fundamental process that effects underlying functions of almost all ecosystems; yet the roles and fates of the most abundant colonizers are poorly understood. Does early abundance spur long term persistence? How do deterministic and stochastic processes influence the roles of founder species? We performed a succession experiment within a hypersaline microbial mat ecosystem to investigate how ecological processes contributed to the turnover of founder species. Bacterial and micro-eukaryotic founder species were identified from primary succession and tracked through a defined maturation period using 16S and 18S rRNA gene amplicon sequencing in combination with high resolution imaging that utilized stable isotope tracers to evaluate basic functional capabilities. The majority of the founder species did not maintain high relative abundances in later stages of succession. Turnover (versus nestedness) was the dominant process shaping the final community structure. We also asked if different ecological processes acted on bacteria versus eukaryotes during successional stages and found that deterministic and stochastic forces corresponded more with eukaryote and bacterial colonization, respectively. Our results show that taxa from different kingdoms, that share habitat in the tight spatial confines of a biofilm, were influenced by different ecological forces and time scales of succession.

Photosynthetic organisms are adept at circumventing nutrient deprivation. Microalgae in particular present novel adaptations to nutrient and light starvation since they can scavenge external and internal nutrient pools to redistribute energy resources for survival. In this report, a turbidostatic photobioreactor was used to characterize environmental conditions and nutrient requirements for cultures of the smallest free-living eukaryote Ostreococcus tauri. Optimized growth conditions were identified that enable 4-times faster phototrophic growth-rates while increasing total biomass 10-fold. By achieving phototrophic doubling times shorter than 6 hours, these results highlight the potential of this smallest eukaryote for future industrial bioproduct applications.

Ostreococcus tauri is an ancient phototrophic microalgae that possesses favorable genetic and cellular characteristics for reductionist studies probing biosystem design and dynamics. Here multimodal bioimaging and multi-omics techniques were combined to interrogate O. tauri cellular changes in response to variations in bioavailable nitrogen and carbon ratios. Confocal microscopy, stimulated Raman scattering, and cryo-soft x-ray tomography revealed whole cell ultrastructural dynamics and composition while proteomic and lipidomic profiling captured changes at the molecular and macromolecular scale. Despite several energy dense long-chain triacylglycerol lipids showing more than 40-fold higher abundance under N deprivation, only a few proteins directly associated with lipid biogenesis showed significant expression changes. However, the entire pathway for starch granule biosynthesis was highly upregulated suggesting much of the cellular energy is preferentially directed towards starch over lipid accumulation. Additionally, three of the five most downregulated and five of the ten most upregulated proteins during severe nitrogen depletion were unnamed protein products that warrant additional biochemical analysis and functional annotation to control carbon transformation dynamics in this smallest eukaryote.

Abstract Bacterial colonization dynamics of plants can differ between phylogenetically similar bacterial strains as well as in the context of complex bacterial communities. Quantitative studies that can resolve closely related bacteria within complex communities can lead to a better understanding of plant-microbe interactions. However, current methods lack the specificity to differentiate phylogenetically similar bacterial strains. In this study, we describe molecular strategies to study specific duckweed-bacteria interactions. We first systematically optimized a bead-beating protocol to co-isolate nucleic acids simultaneously from duckweed and bacteria. We then developed a generic fingerprinting assay to detect bacteria present in duckweed samples. To detect specific duckweed-bacteria interactions, we developed a genomics-based computational pipeline to generate bacterial strain-specific primers. These strain-specific primers differentiated bacterial strains from the same genus and enabled the detection of specific duckweed-bacteria interactions present in a community context. Moreover, we used these strain-specific primers to quantify the bacterial colonization of duckweed by normalization to a plant reference gene and revealed differences in colonization levels between strains from the same genus. Lastly, confocal microscopy of inoculated duckweed further supported our PCR results and showed bacterial colonization of the duckweed root-frond interface and root interior. The molecular methods introduced in this work should enable the tracking and quantification of specific plant-microbe interactions within plant-microbial communities.

ABSTRACT With advanced mass spectrometry (MS)-based proteomics, genome-scale proteome coverage can be achieved from bulk tissues. However, such bulk measurement lacks spatial resolution and obscures important tissue heterogeneity, which make it impossible for proteome mapping of tissue microenvironment. Here we report an integrated wet collection of single tissue voxel and Surfactant-assisted One-Pot voxel processing method termed wcSOP for robust label-free single voxel proteomics. wcSOP capitalizes on buffer droplet-assisted wet collection of single tissue voxel dissected by LCM into the PCR tube cap and MS-compatible surfactant-assisted one-pot voxel processing in the collection cap. This convenient method allows reproducible label-free quantification of ∼900 and ∼4,600 proteins for single voxel from fresh frozen human spleen tissue at 20 μm × 20 μm × 10 μm (close to single cells) and 200 μm × 200 μm × 10 μm (∼100 cells), respectively. 100s-1000s of protein signatures with differential expression levels were identified to be spatially resolved between spleen red and white pulp regions depending on the voxel size. Region-specific signaling pathways were enriched from single voxel proteomics data. Antibody-based CODEX imaging was used to validate label-free MS quantitation for single voxel analysis. The wcSOP-MS method paves the way for routine robust single voxel proteomics and spatial proteomics.

Abstract Bioenergy sorghum is a low-input, drought-resilient, deep-rooting annual crop that has high biomass yield potential enabling the sustainable production of biofuels, biopower, and bioproducts. Bioenergy sorghum’s 4-5 m stems account for ∼80% of the harvested biomass. Stems accumulate high levels of sucrose that could be used to synthesize bioethanol and useful biopolymers if information about stem cell-type gene expression and regulation was available to enable engineering. To obtain this information, Laser Capture Microdissection (LCM) was used to isolate and collect transcriptome profiles from five major cell types that are present in stems of the sweet sorghum Wray. Transcriptome analysis identified genes with cell-type specific and cell-preferred expression patterns that reflect the distinct metabolic, transport, and regulatory functions of each cell type. Analysis of cell-type specific gene regulatory networks (GRNs) revealed that unique TF families contribute to distinct regulatory landscapes, where regulation is organized through various modes and identifiable network motifs. Cell-specific transcriptome data was combined with a stem developmental transcriptome dataset to identify the GRN that differentially activates the secondary cell wall (SCW) formation in stem xylem sclerenchyma and epidermal cells. The cell-type transcriptomic dataset provides a valuable source of information about the function of sorghum stem cell types and GRNs that will enable the engineering of bioenergy sorghum stems.

ABSTRACT Bacillus subtilis is a soil-dwelling bacterium that can form biofilms, or communities of cells surrounded by a self-produced extracellular matrix. In biofilms, genetically identical cells often exhibit heterogeneous transcriptional phenotypes so that only subpopulations of cells carry out essential yet costly cellular processes that allow the entire community to thrive. Surprisingly, the extent of phenotypic heterogeneity and the relationships between subpopulations of cells within biofilms of even in well-studied bacterial systems like B. subtilis remains largely unknown. To determine relationships between these subpopulations of cells, we created 182 strains containing pairwise combinations of fluorescent transcriptional reporters for the expression state of 14 different genes associated with potential cellular subpopulations. We determined the spatial organization of the expression of these genes within biofilms using confocal microscopy, which revealed that many reporters localized to distinct areas of the biofilm, some of which were co-localized. We used flow cytometry to quantify reporter co-expression, which revealed that many cells ‘multi-task’, simultaneously expressing two reporters. These data indicate that prior models describing B. subtilis cells as differentiating into specific cell-types, each with a specific task or function, were oversimplified. Only a few subpopulations of cells, including surfactin and plipastatin producers, as well as sporulating and competent cells, appear to have distinct roles based on the set of genes examined here. These data will provide us with a framework with which to further study and make predictions about the roles of diverse cell phenotypes in B. subtilis biofilms. IMPORTANCE Many microbes differentiate, expressing diverse phenotypes to ensure their survival in various environments. However, studies on phenotypic differentiation have typically examined only a few phenotypes at one time, thus limiting our knowledge about the extent of differentiation and phenotypic overlap in the population. We investigated the spatial organization and gene expression relationships for genes important in B. subtilis biofilms. In doing so, we mapped spatial gene expression patterns and expanded the number of cell populations described in the B. subtilis literature. It is likely that other bacteria also display complex differentiation patterns within their biofilms. Studying the extent of cellular differentiation in other microbes may be important when designing therapies for disease-causing bacteria, where studying only a single phenotype may be masking underlying phenotypic differentiation relevant to infection outcomes.

Lipid droplet biogenesis, accumulation and secretion is an important field of research spanning biofuel feedstock production in algae and yeast to plant-microbe symbiosis or human metabolic disorders and other diseases. Here we evaluate the critical elements that influence lipid accumulation in the highly simplified and smallest known eukaryote Ostreococcus tauri and identify several conditions that satisfy its classification as an oleaginous green alga. In addition, these experiments revealed the release of excess lipids in pea-pod like structures where many dense lipid droplets are clustered in a linear fashion surrounded by an enveloping membrane which contrasts with known mechanisms from other eukaryotes. These results highlight the potential for Ostreococcus tauri to probe the evolution of lipid droplet dynamics as an emerging model organism with a compacted eukaryotic genome and also to impact lipid feedstock bioproduction applications either directly or using synthetic biology.