微生物研究

2021年1月，针对美国的无端指责，中国外交部呼吁美国开放迪特里克堡基地，允许世界卫生组织专家赴美开展溯源调查。这可不是信口开河“污蔑美国”，身为美国最恐怖的微生物研究中心，迪特里克堡早已“臭名昭著”，所以并不排除新冠病毒起源于这座恐怖的生物基地。【前身】迪特里克堡的前身并非生物研究中心，而是马里兰州兴建的一座小型市政机场，这里在1938年之前是联络美国各大城市的一座紧急机场，华盛顿特区的飞机不时在此降落。“迪特里克”这个名字是为了纪念陆飞行中队外科医生弗雷德里克·迪特里克而设立的，他曾经在第一次世界大战中于法军服役。从1939年开始，美国开始对迪特里克堡进行翻修，将原先的裸露地改造成混凝土路面，原本的应急机场也升级为美军军校的飞行员培训中心，在第二次世界大战（美国参战）期间，美国陆军航空兵团在此进行战备训练和编队，之后也将被部署到英国，投入一线作战之中，迪特里克也成为了美国第八航空队的总部所在。【生物学研究】明面上，迪特里克机场的飞机隆隆起飞，但其实暗地里，迪特里克也在第二次世界大战期间开始以各种病原体进行生物武器的研究。选择在这里很简单，迪特里克一方面距离美国华盛顿特区和阿伯丁试验场并不远，而另一方面这里的地理位置却又十分偏僻，周围鲜有民宅，所以即使发生生物泄露，也并不会有太大影响，如果美国需要扩大生物学研究，迪特里克机场附近大批的农田甚至可以被购买下来。迪特里克的研究最早由制药业高管乔治·W·默克和威斯康星大学细菌学教授Ira L. Baldwin负责进行，后者同时也是实验室的第一任科学顾问。随后美国陆军的化学兵部队接管了这里的工作，一名军官甚至声称“迪特里克藏有大量秘密，仅有开发原子弹的‘曼哈顿工程’能够和其相提并论”。【战后扩张】即使战争结束后，迪特里克的安保措施仍然严密地过分，这也让不少民众察觉到不对劲。并且不断基地的不断扩充也让不少民众为之忧虑，1946年美国陆军又购买了附近59公顷的农田，扩大了基地原先“A区”的面积，并且在A区以西开辟161公顷的试验区，被称之为“B区”。1952年，陆军再次购买203.5公顷的土地，名义上是用于扩展永久性的研发设施。而同时，基地也不断传出负面消息，50年代基地有2名工人被曝死于炭疽杆菌感染；1964年一名工人死于一种罕见的病毒性脑炎，总之感染的病都是奇怪无比，起码在外面不可能随便见到。基地上有座470号楼，在当地被称为“炭疽塔”，470号楼是用于测试最佳发酵罐和细菌纯化技术的试验工厂。在470号楼中获得的信息最终被制药业采用，彻底了改变抗生素和其他药物的生产，470号楼直到2003年才被拆除。熟悉内情的美国政府官员透露，迪特里克堡研究使用昆虫作为病媒的生物战计划可以追溯到第二次世界大战，战后还聘用了德国和日本科学家，他们曾利用战俘和集中营中的囚犯进行人体实验。科学家在生物战计划中曾经使用或试图使用各种各样的昆虫，包括跳蚤、蜱虫、蚂蚁、虱子和蚊子等，尤其是携带黄热病病毒的蚊子，他们甚至还在美国本土进行了试验。【21世纪时间线】2002年，迪特里克堡发生炭疽杆菌泄露事件，调查报告显示，迪特里克堡存在十分严重的管理疏忽、限制不力的状况，并且可能已经发生多次泄露。2019年8月，美国疾病预防与控制中心宣布，迪特里克堡突发水处理设施故障，加之一直存在的标准作业流程偏差，所以决定关闭实验室，并且称无法因国家安全的考虑无法透露更多细节。2019年10月18日，世界军人运动会在武汉举行，自诩为全球军事实力最强大的美军，奖牌排名仅为第35名，不如伊朗的第14名、埃及的第19名、土耳其的第22名、蒙古的第24名、印度的第27名、纳米比亚的第31名。2019年11月实验室部分恢复运作。2019年12月初，可以被追诉的最早的新冠病毒确诊病例出现。2020年4月，实验室全面重启，投入新冠肺炎的防治研究之中。

参与研究微生物研究的329名船员，图片来自国际大洋发现计划-科学决策委员会。（施普林格·自然 供图） 供图中新网北京7月29日电 (记者 孙自法)施普林格·自然旗下国际学术期刊《自然-通讯》最新发表一篇微生物学研究论文发现，在海底能量贫乏的深海沉积物中，有微生物群落维持了长达1.015亿年的代谢潜力。这也意味着，微生物在海底可存活逾1亿年。海底沉积物样本，图片来自日本国立研究开发法人海洋研究开发机构。(施普林格·自然 供图) 供图该论文称，经过几百万年的时间在海底沉积下来的沉积物，几乎没有能让细胞维持代谢活跃状态的能量。虽然科学家已经能够恢复沉积物中的微生物群落，但尚不清楚它们是如何在如此恶劣的条件下生存以及存活了多久。论文通讯作者、日本国立研究开发法人海洋研究开发机构诸野祐树(Yuki Morono)及其同事，对从南太平洋环流区的深海平原74.5米以下收集的沉积物样本(大约在海平面以下3700-5700米)进行分析，这些沉积层是在1300万年前到1.015亿年前的一段时间内沉积下来的，而且包含有限量的有机物(比如碳)，存在氧气。他们进行孵化实验：采用以同位素标记的碳和氮基质作为生物活动示踪剂，检验1300万年前到1.015亿年前样本中的细胞是否能够以基质为食、正常分裂，从而存活下来。研究人员在船舱内开展研究，图片来自国际大洋发现计划-科学决策委员会。(施普林格·自然 供图) 供图论文作者发现，某些微生物对孵化条件反应迅速，在68天的孵化期内，其数量增加了逾4个数量级。在最古老的沉积物样本中(1.015亿年前)，他们观察到微生物活跃摄取同位素标记的化合物，而且细胞总数在增加。他们还利用DNA测序和相关基因谱分析技术，确定了哪些类型的微生物在群落中占主导地位——其中大多数是需氧细菌。研究人员在船舱内开展研究，图片来自国际大洋发现计划-科学决策委员会。(施普林格·自然 供图) 供图论文作者指出，海底渗透性的降低和沉积物层的厚度似乎会阻止微生物在各层之间移动。他们总结称，该研究表明，海底下面沉积物中的微生物群落可以至少保持代谢活跃状态长达1.015亿年。（来源：中国新闻网）

Nature子刊：专访微生物组研究最新技术Nature Methods[IF:28.467]① 技术是推动本领域发展的基石，本文专访了本领域正在研发中的多项新技术，助力大家把握好研究方向；② EcoFAB无菌体系实现可控人工微生物组研究对植物的影响，揭示因果；③ 基因组编辑工具来控制微生物群落的不同成员，结合设计微生物组环境以塑造微生物组；④ 肠道芯片用于在受控条件下探索人类宿主 - 微生物组相互作用；⑤ 人工设计合成使用不同压缩遗传密码的生物组成微生物组，限制微生物组水平基因转移等。Engineers embrace microbiome messiness【主编评语】微生物组的发展受益于相关技术的快速发展，让我们有能力研究微生物组这样复杂的对象。近年来Nature Methods、Nature Biotechnology基本每期都有宏基因组新技术突破，可见该领域研究的火热程度。Nature Methods编辑部采访了微生物组领域工程技术开发最前沿的几家实验室，为大家带来了正在开发中的新技术，它们将在进一步探索微生物组的复杂机制中大放异彩，同行值得仔细了解一下，想发大文章的，一定要结合自己实验室的优势，提前3-5年布局，不要再错过了风口。（@刘永鑫）Nature子刊：牛瘤胃微生物组的参考基因组集Nature Biotechnology[IF:31.864]① 瘤胃微生物组在反刍动物消化植物物质中非常重要，但大多数组分未被培养；② 基于283个牛胃样本获得6.5T二、三代测序数据，组装分箱得到4941个宏基因组组装基因组（MAG），同时鉴定了40多万个碳水化合物代谢相关的基因；③ 本文提出一种组装工作流程，可获得80％完整的细菌和古细菌基因组；④ 此参考基因集将宏基因组数据可比对率从15%的提高至50-70％，有助于更好地了解瘤胃微生物组的结构和功能。Compendium of 4,941 rumen metagenome-assembled genomes for rumen microbiome biology and enzyme discovery【主编评语】反刍动物为全世界数十亿人提供必需的肉、奶等重要营养。瘤胃是一种特殊的胃，适应植物来源的复合多糖的分解。瘤胃微生物组的基因组编码数千种适于消化植物物质的酶，它们主导反刍动物饮食结构。本文对近三百个牛胃样本进行宏基因组二、三代混合测序，获得了近五千个宏基因组组装的基因和40多万个碳水化合物代谢相关基因，为深入研究牛瘤胃微生物组提供了参考基因组，可进一步挖掘功能基因和筛选高转化效率菌种提供基础。同时也是近期第三篇Nanopare技术参与发表在自然生物技术杂志在宏基因组领域的文章，可见新技术在宏基因组中应用带来的巨大优势。（@刘永鑫）Nature子刊：宏基因组研究中取样和技术重复对时间和空间下物种丰度变化的影响Nature Methods[IF:28.467]① 一种基于重复采样和加内参(spike-in)测序的方法(DIVERS)可量化时间动态、空间采样和技术噪声对绝对细菌丰度的方差和协方差的贡献；② 应用DIVERS研究人体肠道微生物组时间序列和土壤细菌群落的空间变化；③ 在肠道中技术噪声主导了近一半分类群的丰度变异，揭示了微生物组的空间异质性以及拟杆菌门内的分类群的高时间协差；④ 在土壤群落中，空间变异主要导致短时间尺度（周）的丰度波动，而时间变化在较长时间尺度（几个月）占主导地位。Quantifying spatiotemporal variability and noise in absolute microbiota abundances using replicate sampling【主编评语】宏基因组测序已经能够对不同的微生物群落进行详细调查，但了解它们的时空变异仍然是一个重要的挑战。本文采用绝对定量、技术重复、不同取样部分的连续时间实验，经过方差分解法确定了各影响因素对不同丰度OTU丰度变化的影响大小，对我们研究中差异OTU的选择、丰度与差异可视度的关系、结果的评估有非常好的参考和借鉴意义。（@刘永鑫）Nature子刊：基于扩增子或宏基因组测序，预测菌群代谢组Nature Communications[IF:11.878]① MelonnPan是从菌群特征预测其代谢组的计算框架，给予模型上训练配对的代谢组和宏基因组，在新的菌群环境中预测潜在不可观察的代谢产物；② 将MelonnPan应用于两个独立的肠道宏基因组数据集，共220例受试者包括溃疡性结肠炎、克罗恩病和健康对照，在>50%的代谢产物中预测和观察到的菌群代谢趋势之间高度一致；③ 应用在珊瑚、鼠肠道和人阴道的微生物组的扩增子中，也保持相似的准确性；④ 还能提供预期性能评分，指导模型在新样本中的应用。Predictive metabolomic profiling of microbial communities using amplicon or metagenomic sequences07-17, doi: 10.1038/s41467-019-10927-1【主编评语】分析菌群代谢组有助于阐释菌群功能，但是对大规模样本进行代谢组学分析还是比较困难且昂贵的。Nature Communications近期发表一项研究，开发了一种算法，可通过机器学习，基于宏基因组或扩增子数据来预测菌群的代谢组，值得专业人士关注。（@李丹宜）Cell子刊：精准医疗中的菌群-药物互作（综述）Cell Host and Microbe[IF:15.753]① 单药物案例研究能够确定参与药物代谢转化的菌株及其代谢物，系统性筛选可对单菌株或多菌组合的药物代谢作用进行高通量检测；② 药物可影响菌群的生长和组成，也可被菌群代谢失活或转化从而起效或产生副作用；③ 菌群可与宿主免疫系统互作或代谢药物，直接或间接的影响免疫调节药物的活性；④ 抑制微生物酶、消除特定菌株、引进新菌株、菌群的遗传修饰，可实现对菌群的精确干预，提高药物疗效；⑤ 了解菌群如何影响药物疗效将有助于精准医疗。Precision Medicine Goes Microscopic: Engineering the Microbiome to Improve Drug Outcomes【主编评语】菌群与药物的互作可影响药物治疗效果，Cell Host and Microbe今年7月刊发的“微生物与药物”专刊中，这篇综述详细探讨了菌群-药物互作研究领域的进展，以及用于改善药物疗效的菌群干预策略，值得专业人士参考。（@李丹宜）影响高血压的饮食-菌群-免疫互作（综述）Cardiovascular Research[IF:7.014]① 肠道菌群失调可能通过影响免疫细胞的分化和活性引发炎症状态，影响实验性高血压的发生发展，并可能在临床高血压的发病中起作用；② 富含高纤维饮食在肠道菌群作用下生成短链脂肪酸，特定短链脂肪酸有助于减少炎性因子、降低血压、改善心脏功能；③ 高血压患者的G偶联蛋白受体可能是联结饮食-菌群-宿主免疫系统的中心环节；④ 高脂、少纤维或高盐的西方饮食可抑制有益的肠道共生菌、激活促炎的免疫反应，引起血压升高。The effect of diet on hypertensive pathology: is there a link via gut microbiota-driven immune-metabolism?【主编评语】菌群-免疫在高血压中的作用广受关注。Cardiovascular Research近期发表综述文章，回顾了现有研究对肠道菌群、饮食和免疫系统在高血压形成中的作用及其参与血压调节的可能机制，尤其强调了饮食调控在治疗、缓解高血压中的作用，值得参考。（@小肠君）农大张燕：生命早期补充叶绿素调节小鼠菌群并预防肥胖Molecular Nutrition and Food Research[IF:4.653]① 生命早期补充叶绿素，可有效阻止高脂饮食（HFD）喂养小鼠的体重增加，改善葡萄糖耐量，减少低度炎症；② 补充叶绿素能够逆转HFD诱导的肠道菌群失调，降低厚壁菌门/拟杆菌门比值；③ 与HFD小鼠相比，叶绿素干预后，劳特氏菌属和拟杆菌目-S24-7菌属丰度增加，乳球菌属和乳杆菌属丰度降低，提示叶绿素可能通过调节肠道菌群组成来改善肥胖相关指标；④ 生命早期摄入叶绿素有利于进行健康的体重管理，并对随后的年龄相关性肥胖产生有益影响。Chlorophyll Supplementation in Early Life Prevents DietInced Obesity and Molates Gut Microbiota in Mice【主编评语】来自中国农业大学的张燕团队在Molecular Nutrition and Food Research上发表的一项最新研究，发现高脂饮食喂养小鼠在生命早期补充叶绿素后，可显著降低体重增加，并改善肠道菌群组成及肥胖相关指标。（@沈志勋）台湾学者：特定乳杆菌或可抑制幽门螺杆菌感染Journal of Clinical Medicine[IF:5.688]① 鼠李糖乳杆菌（GMNL-74）和嗜酸乳杆菌（GMNL-185）对多重耐药幽门螺杆菌具有较强的抗菌活性；② 细胞试验中，两株乳酸菌均可显著降低幽门螺杆菌对胃上皮细胞的粘附和侵袭作用，并降低宿主细胞IL-8的产生；③ 小鼠实验中，两株乳酸菌能减轻幽门螺杆菌的定植和由此引起的胃部炎症；④ 在感染了幽门螺杆菌的小鼠中，摄入GMNL-74和GMNL-185可显著增加小鼠肠道中的益生菌丰度，包括双歧杆菌属和Akk细菌Akkermansia muciniphilia。Probiotic spp. act Against -inced Inflammation【主编评语】来自中国台湾多所机构的研究人员近期在Journal of Clinical Medicine发表研究，在细胞实验和动物模型中均发现，鼠李糖乳杆菌（GMNL-74）和嗜酸乳杆菌（GMNL-185）可抑制幽门螺旋杆菌的致病性，并调节肠道菌群结构。该结果有助于开发新的幽门螺杆菌治疗方法。（@小肠君）您可能还喜欢：GeoChip快速高效检测城市流域的抗生素抗性基因研究思路｜高通量qPCR芯片检测+微生物多样性应用案例解读

1.什么是微生物微生物是一切肉眼看不见或者看不清楚的微小微生物的总称。结构比较简单，个体微小（一般<0.1mm），按照其进化水平和性状可分为原核类、真核类和非细胞类。表解如下：2.人类对微生物认识的过程2.1难以认识的微生物世界微生物的独特的性质和特点，决定了人们对微生物长期缺乏认识。尤其是在显微镜技术和微生物的各种分离培养技术发明应用以前，人们很难发现和注意这些个体微小（通常在几um至几十um之间）、外貌不扬（聚集的菌落或多细胞菌体）、混生杂居而又数量庞大、分布广泛的微生物群体。也就不会理解那些不可思议的现象（例瘟疫、食物发霉等）是如何发生的，更不会明白这些体积微小、平淡无奇的生物对自然界和人类的真正作用。大肠杆菌（革兰氏染色）显微镜下大肠杆菌平板培养2.2人类开启微生物世界的历史2.2.1史前期当人们还未见到、理解微生物微生物的时期，只能凭借自己的经验在不断的实践中开展利用有益微生物和防治有害微生物，并长期停留在低水平的应用阶段。在此期间，我国传承几千年的传统制曲酿酒工艺绝对是最高水平的应用，用曲霉或毛霉先进行淀粉的糖化，然后用酵母菌进行酒精发酵，可以说是现代发酵的基础。而宋代发明的“以毒攻毒”的免疫方法（一说16世纪下半叶开始使用），用接种人痘的方法来预防天花这绝对是划时代的成就，这比英国人E.Jenner在1796年发明的接种牛痘预防天花早了两个多世纪。2.2.2初创期这一时期标志事件是荷兰业余科学家列文胡克发明单式显微镜，于1676年首次观察到了个体微小、作用巨大的细菌。列文胡克用列文胡克显微镜观察的人血图片2.2.3奠基期这一时期主要有两个人：一个是法国的巴斯德利用曲颈甑肉汤实验建立了配种学说，自此微生物学开始形成独立的学科；二是德国的科赫建立了一系列研究微生物的方法，分离培养纯种微生物。在两人的研究基础上，微生物学及其分支学科不断的发展和完善。2.2.4发展期1897年，德国人E.Buchner用无细胞酵母菌压榨汁中的“酒化酶”对葡萄糖进行酒精发酵成功，标志着微生物学进入了生化研究的时代。此后，微生物生理、代谢研究就蓬勃开展起来了。2.2.5成熟期1953年，J.D.Waston和H.F.C.Crick发现并建立了DNA结构的双螺旋模型，开创了分子生物学研究的新阶段。DNA双螺旋moxing近年来，随着各种数据库的建立和完善以及各种计算机辅助分析软件的帮助下，基因组学、蛋白组学、生物信息学以及合成生物学、系统生物学逐渐成为生命科学的热点。3.微生物学的发展促进了人类的进步3.1促进人类医疗事业进步根据巴斯德的胚种学说，19世纪60年代应用石炭酸建立的外科消毒术有效的降低了外科手术死亡率。各种病原微生物的发现、分类和建库。各种药物的研制和使用，包括免疫防治的疫苗，化药；应用基因工程和生物工程技术开发的抗生素、生物制品。通过这些，人类在与病原微生物的斗争中已取得了极大的成功。3.2工业应用主要是利用有益微生物发酵、酿造，改善食物风味；抑制有害微生物，延长食物保存时间。通过各种发酵技术和代谢控制技术，大规模、高效的生产各种有机产品、生物制品、工业原料。生物工程的兴起，即遗传工程、细胞工程、微生物工程、生化工程和生物反应器工程，结合化工、机械和计算机科学为人们提供巨大的经济效益和社会效益。3.3促进农业的进步微生物在农业中有很多方面的应用，从而促进了农、林、牧、渔的发展，例如以菌治虫、病、草；以菌当饲料、药物、食物等等。3.4对生物学基础理论研究的贡献微生物学是整个生物学中具有一套自己独特操作技术的学科，因而需要特殊的实验装备和独立训练。例如显微镜技术和制片染色技术，无菌操作技术，消毒灭菌技术，纯种分离和克隆技术，选择性和鉴别性培养技术，突变型标记和筛选技术，菌种保藏技术，原生质体制备和融合技术，以及各种DNA重组技术等。这些技术已迅速扩散到生命科学各领域的研究中，成为生命科学研究的必要手段，从而为整个生命科学作出了方法的贡献。4.微生物学及其分科微生物学有许多分科，表解如下：

微生物研究领域在过去的几十年里发展迅速，已经成为一个重大的科学和公众利益的话题。然而我们对“微生物组”一词缺乏一个公认的明确定义。近日，奥地利格莱兹科技大学Gabriele Berg教授和亥姆霍兹慕尼黑中心Schloter教授究国际专家组成的小组会议讨论关于微生物和微生物组到最新的技术发展和研究结果，明确区分了“微生物群”和“微生物组”两个术语，并就微生物群的组成、微生物群在时间和空间上的异质性和动态性、微生物网络的稳定性和恢复力、核心微生物群的定义进行了全面的讨论，以及功能相关的关键物种以及微生物宿主和微生物群落内物种间相互作用的共同进化原理。这些宽泛的定义以及所建议的统一概念将有助于今后改进微生物组研究的标准化，并可能成为综合评估数据的起点，从而使知识从基础科学更快地转移到实践中。此外，微生物组标准对于解决与地球健康领域人为驱动的变化相关的新挑战非常重要，对微生物组的理解可能会起到关键作用。本文是基于2019年3月6日在奥地利图尔恩举行的研讨会的讨论而形成的，该研讨会是Microbiome Support项目的一部分，该项目旨在建立国际研究标准。研讨会汇集了来自学术，政府和行业团体的领先微生物组研究人员，他们代表了不同领域的专业知识。 在研讨会之前，通过发送在线调查问卷，收集了来自世界100多位专家的建议。调查的结果和随后的研讨会讨论构成了术语“微生物组”的拟议定义的基础，此处介绍了包含微生物组研究规则和基准修订。01从微生物到微生物群落的历史许多技术发明推动了微生物的研究，导致我们对健康和疾病的理解发生了范式转变。图1 历史回顾显微镜的发明，让我们得以发现一个全新的未知的微生物世界。罗伯特·科赫（Robert Koch）对由于微生物感染而导致的人类和动物疾病起源的解释以及病原性概念的发展是微生物学的重要里程碑。DNA的发现，测序技术，PCR和克隆技术的发展使人们能够使用与培养无关，而是基于DNA和RNA的方法研究微生物群落。这些新的可能性彻底改变了微生物生态学，因为以高通量的方式进行基因组和宏基因组分析提供了有效的方法来解决单个微生物以及整个自然栖息地中整个群落的功能潜能。多项综述已强调了结合多种“组学”技术分析宿主微生物相互作用的巨大潜力和巨大潜力。02微生物组定义通常将微生物群落定义为生活在一起的微生物的集合。更具体地说，微生物群落被定义为多物种集合，其中（微生物）有机体在连续的环境中彼此相互作用。微生物组的首次定义1988年，Whipps及其同事研究了根际微生物的生态学，首次定义了微生物组。他们将“微生物组”描述为“微生物”和“生物组”的组合，并在“具有明确的理化特性的合理定义的栖息地”中将“特征微生物群落”命名为“活动剧场”。该定义代表了微生物群落定义的实质性进步，因为它定义了具有不同特性和功能的微生物群落及其与环境的相互作用，从而形成了特定的生态位。微生物组的常用定义但是，在过去的几十年中，还发布了许多其他的微生物组定义。当前最常引用的定义是Lederberg将生态环境中的微生物群落描述为生物体空间或其他环境中的共栖，共生和致病微生物群落。Marchesi和Ravel集中在对特定环境下的基因组、微生物(和病毒)基因表达模式和蛋白质组以及生物和非生物条件的定义。所有这些定义暗示着宏观生态学的一般概念可以很容易地应用于微生物-微生物以及微生物与宿主的相互作用。然而，这些为大型真核生物开发的概念在多大程度上可应用于原核生物，这些原核生物具有不同的生活方式，如休眠，表型变异和水平基因转移以及目前尚不清楚的微型真核生物。这就提出了一个挑战，即要考虑一种全新的微生物组生态学概念生态模型和理论体系，特别是在微生物相互之间以及与宿主生物和非生物环境相互作用的不同层次上。许多当前的定义未能捕捉到这种复杂性，并且将术语“微生物组”描述为仅涵盖微生物的基因组（下表）。 例如，Merriam Webster发布平台提出了两种微生物组定义：一种描述宏基因组，另一种是微生物群落，但仍然无法将宿主和环境作为微生物组的整体生态成分而不是一个独立的实体来捕获。表1 微生物组的定义修订后的概念框架将使我们能够从对微生物分类的方法转变为更全面的微生物功能及其与环境相互作用的观点。然而，这将需要跨不同领域工作的科学家之间更多的跨学科互动。关于微生物组的各种观点是Microbiome Support研讨会中讨论的中心部分。根据在线调查和研讨会讨论中获得的答复，参与者得出的结论是Whipps等人的原始定义仍然是最全面的，它描述了微生物组的复杂性及其生态学和进化生物学的各个方面。 研讨会的参与者讨论了许多关键点，并提出了一些建议，以澄清和修正原始的Whipps和同事的定义。这些修正案涉及（1）微生物组的成员，（2）微生物组的成员之间以及现有微生物网络内部的相互作用，（3）环境中微生物群落的时空特征，（4）核心微生物群，（5）从功能预测到物种表型，以及（6）微生物组-宿主或环境相互作用和协同进化。 下面将详细讨论这些方面。03微生物组成员微生物群包括形成微生物组的所有活的成员。 下表解释了这两个词源的词源学和差异。细菌，古细菌，真菌，藻类和小的原生生物应被视为微生物组的成员。大多数微生物组研究人员都同意这一定义。表2 微生物组/微生物群词源噬菌体，病毒，质粒和移动遗传元件的整合是微生物组定义中最具争议的问题之一。 参与者在“微生物组定义”在线调查中的评论也证实了这一点。 受访者对病毒和噬菌体是否应属于微生物组这一问题的回答没有给出明确的答案，并且从“无论如何”延伸到“绝对没有”。关于来源于死细胞的细胞外DNA（所谓的“遗留DNA”）是否属于微生物组还没有明确的共识。在更广泛的生境分析中，残留DNA最多可占土壤中测序DNA的40％，平均占细菌总DNA的33％，在某些样品中最高比例为80％。有意思的是，尽管它非常丰富且无处不在，但遗留DNA对分类学和系统发育多样性的估计影响很小。 当使用特定术语时，微生物组和微生物群之间的清晰区分有助于避免有关微生物组成员的争议（下图）。微生物群通常被定义为存在于特定环境中的活微生物的集合。由于噬菌体，病毒，质粒，病毒，类病毒和游离DNA通常不被视为活微生物，因此它们不属于微生物群。图2 强调微生物组（微生物群落）及其“活动区”组成的示意图最初由Whipps及其同事提出的微生物组一词不仅包括微生物群落，还包括微生物的“活动区”。后者涉及微生物产生的所有分子，包括其结构元素（核酸、蛋白质、脂类、多糖）、代谢物（信号分子、毒素、有机和无机分子），以及共存宿主产生的并由周围环境条件构成的分子。因此，“微生物组”术语应包括所有可移动的遗传元件，例如噬菌体，病毒，“遗物”和细胞外DNA，但不属于微生物群（上图）。此外，在这方面，重要的是要考虑方法方面的差异，以区分DNA与活生物体及其环境（请参阅技术标准章节）。术语微生物组有时也与宏基因组混淆。 然而，宏基因组被明确定义为来自微生物群成员的基因组和基因的集合。微生物组研究有时关注特定微生物群的行为，通常与明确的假设有关或由其明确证明。虽然越来越多的术语如“细菌组”，“古细菌组”，“霉菌组”或“病毒组”在科学文献中开始出现，但这些术语并非指生物群落（一个具有独特的（微生物）集合的区域生态系统，而物理环境往往反映一定的气候和土壤）作为微生物群本身。因此，最好使用原始术语（细菌，古细菌或真菌群落）。与可以单独研究的微生物群落相反，微生物组始终由所有成员组成，这些成员彼此相互作用，生活在相同的栖息地，并共同形成其生态位。公认的术语“病毒组”衍生自“病毒”和“基因组”，用于描述由一系列与特定生态系统或全生命周期相关的核酸组成的病毒Shotgun基因组。但是，这里也可以将“病毒基因组”作为语义和科学上更好的术语来建议。每个微生物组成员应以何种分辨率进行研究？对于真核生物，在大多数情况下，“生殖单位”是一个适当的水平，可以测量生物的动态，尽管物种定义仍在争论中。但是，对于原核生物，尚不存在基于繁殖的定义：当前的物种定义基于生物之间的DNA同源性，例如DNA-DNA杂交揭示的“ 70％以上的DNA相似性”或根据Goris及其同事的建议。 与真核生物相似，微生物菌株或生态型是分类和功能的基础。 此处定义的菌株的稳定性是最关键讨论的问题，主要是由于水平基因转移（HGT）的频繁发生。后者是由诸如质粒，噬菌体和转座子之类的可移动遗传元件从一种菌株转移到另一种菌株而引起的，导致不可避免的基因组变化并严重影响菌株的稳定性。然而，由于微生物菌株之间的本质功能差异，忽略菌株水平可能会导致对数据的误解。在微生物菌株中定义具有生态意义的种群对于确定其在环境微生物和与宿主相关的微生物群落中的作用很重要。最近，作为一种解决方案，引入了一种新的衡量最近基因流量的指标，该方法可确定与近亲相邻的，被强基因流不连续性隔开的一致的遗传和生态单位。04微生物网络和相互作用微生物彼此相互作用，这些共生相互作用对微生物组内的微生物适应性，种群动态和功能能力具有不同的影响。这些相互作用可以在相同物种的微生物之间，也可以在不同物种，属，科和生命域之间。这些网络中的交互模式可以是积极的（互惠的、协同的或共栖的）、消极的（偏害共栖[包括捕食、寄生、对抗或竞争]）或中性的，即对相互作用物种的功能能力或适应性没有（或没有观察到）影响。微生物生命策略的概念可以影响相互作用的结果。 例如，争夺相同来源的微生物在不同营养水平争夺相同化合物时也可以从彼此受益。 复杂微生物生态系统的稳定性取决于同一底物在不同浓度水平下的营养相互作用。重要的是要强调指出，到目前为止，人们对自然界中微生物社会适应的研究还不够。在这里，分子标记可以通过支持自然微生物群系中利他主义者和作弊者等理论来提供社会适应的见解。次生代谢产物在介导复杂的种间相互作用并确保竞争环境中的生存中起着至关重要的作用。群体感应（QC）, 由小分子（如N-酰基高丝氨酸内酯或肽）诱导的细菌诱导细菌控制合作活动，并使它们的表型适应生物环境，从而导致例如细胞间粘附或生物膜形成。直接种间电子转移（DIET）是大多数厌氧生态系统中交流的重要机制。此外，挥发性化合物还可以作为长距离信使，实现长距离跨界交流。此外，所谓的“真菌高速公路”是细菌以及水和养分的运输系统，因此可以在构建微生物网络中发挥重要作用。尽管有这些例子，但微生物组内的交流和相互作用仍未得到充分研究，将从对所有微生物组成员的代谢相互作用的更多了解中受益。在这里，还原论实验模型和微生物组模型可以帮助鉴定参与复杂相互作用的微生物和分子机制。细菌的群体行为调控机制群体效应(Quorum sensing) 是近来日益受到广泛关注的一种细菌群体行为调控机制, 很多细菌有这种能力, 即分泌一种或多种自诱导剂(Autoincer) , 细菌通过感应这些自诱导剂来判断菌群密度和周围环境变化, 当菌群数达到一定的阀值(quorum , 菌落或集落数) 后, 启动相应一系列基因的调节表达, 以调节菌体的群体行为。不同类型的细菌具有不同的群体效应调节系统, 很多细菌分泌同一种诱导剂, 以此调控不同种类细菌间的作用行为。群体效应系统在自诱导剂与受体之间存在专一性, 同时又在调节基因和信号传递系统中体现出多样性和复杂性。由于不少人或植物的病原菌的致病机制等受群体效应的调控, 该机制已成为医学等领域的研究热点。图3 通过微生物共生网络可视化微生物相互作用生物信息网络和共现分析给出了关于微生物相互作用模式的复杂性的想法，但它们不适合揭示这些相互作用的性质（上图b）。 尽管存在这一限制，但对微生物网络的分析仍使研究人员能够识别中心物种，并探索微生物组内各种类型的物种相互作用的潜力。在微生物共生网络中，中枢物种以与其他物种的连接程度最高的节点（上图b）为代表。共现分析也可以在不同的规模上应用，例如，群落规模的生态系统之间的共现模式，群落内共生微生物的模块以及嵌套在微生物群落内的模块内共生对。它们可以与定植抗性联系起来，这决定了异源微生物入侵本地群落的潜力，并且可以被认为是产生假说的重要工具。 但是，特定类型的微生物相互作用的存在及其对种群动态或功能的后果，需要在相关的模型系统中进行测试（上图c）。此外，技术方法，如使用稳定同位素的交叉喂养实验或荧光原位杂交和共焦激光扫描显微镜（FISH-CLSM）与双重培养分析相结合，对于检验在硅胶中产生的假设非常有用。微生物相互作用可能是微生物群落内部进化和共同进化动力学的重要基础微生物群落成员之间的交流产生了一个复杂的景观，其中细胞的适应性或功能不仅取决于单个细胞的遗传潜能和化学环境，还取决于感测到的生物环境。 网络中的中心物种通常被假设为关键物种，这一概念已从宏观生态学转移到微生物组学研究中。与其他物种相比，基石物种在各种物种相互作用中起着至关重要的作用，并且对生态系统的性能和动态影响更大。 但是，共同关联网络中的枢纽物种不一定充当基石物种。 后者的特征还必须通过适当的方法加以确认和补充。枢纽和基石分类单元绝对需要对它们的功能有更好的了解; 此外，它们可以集成到计算方法中以联系微观和宏观生态学问题。 如果可以将关键物种视为“指示分类群”，那么另一个术语（已被定义为高度指示特定实验处理或环境条件的那些类群）仍不清楚。指示分类群的概念从实践的角度引起了人们的极大兴趣，并从宏观生态学转移到了微生物组研究中，现在被广泛使用，例如，用于评估农业实践对微生物群落的影响或疾病对微生物的影响的研究。 人类微生物群； 如此处所示，可以使用简单且高度标准化的基于qPCR的方法进行分析。05考虑微生物群落的时间和空间变化微生物群落的时间和空间结构问题对于总体上了解微生物组的功能很重要。对于理解特定过程，例如在生物技术和食品加工应用中病原体的暴发，以及预测和控制微生物群落，它也具有重要意义。总的来说，最初针对大型生物描述的大小多样性关系也被证明存在于各种生态系统中的微生物群落中。微生物组内的时间动态可以从秒或分钟的尺度进行评估，这反映了信使RNA的时间跨度到几个世纪和一千年的尺度，在此期间微生物与其宿主或在特定环境中共同进化。细菌mRNA的半衰期取决于转录的基因，但通常在数分钟的范围内，而古细菌基因的转录本较长，并且已报道了数小时的时间。重要的是，尽管过去许多作者将微生物活性与rRNA含量联系在一起，但最近的研究表明该概念存在严重局限性，只有mRNA可被视为代谢状态的可靠指标。 在这一时间尺度范围内理解研究的适当维度对于任何微生物组的操作都是至关重要的，例如在人类微生物组研究中的治疗策略或在环境研究中使用生防制剂。仔细考虑感兴趣宿主的具体特征，例如昼夜节律，季节性变化或与宿主生物的生理学相关的生长阶段，可能有助于确定评估时间动态的最佳尺度。图4 微生物群在时间和尺度上的动态变化Stegen等建议考虑三类：（i）生物和非生物历史，（ii）内部动力学，和（iii）外部强迫因素作为影响微生物群落时间动态的因素。大多数自然生态系统的特征是高度的空间结构，这被认为对许多生态系统服务都很重要。 考虑到空间规模，可能意味着要比较远处区域之间的微生物模式，以及相同生境的生存空间之间的区别不明显（图4b）。植物多样性与土壤微生物组多样性的相互影响土壤主要由微团聚体（<0.25毫米）组成，这些团聚体结合土壤有机碳并保护其免受侵蚀，而大团聚体（0.25到2毫米）则限制了氧气的扩散并调节了水的流量。 每个聚集体都具有独特的生态位，并具有其独特的微生物组结构。 实际上，由于在小空间尺度上存在如此众多的生态位，土壤被认为是地球上微生物群落组成最多样化的生态系统。 例如，农业耕作引起的生态位的减少会导致微生物多样性的丧失。 由于植物和耕作在很大程度上影响土壤结构的发展，植物多样性的丧失也对土壤微生物组的生物多样性产生了强烈影响。但是，对于“先生鸡还是蛋”的答案尚不清楚（土壤微生物组的变化会引起植物多样性的改变，反之亦然）。微生物群落对宿主的定殖也不均匀。众所周知，例如，叶子的根部与根部相比具有不同的菌群，并且根部本身被微生物异质地定殖，沿着根际的长度以及根部表面与根部内部的微生物群不同。最近，种子微生物群作为核心微生物群从一代到另一代的垂直传播的一种可能模式引起了人们的关注。与植物相似，人体也不是被微生物均匀地定殖的：每个人体隔室都包含自己的微生物群，甚至来自一个身体部位的微生物群也可能因采样面积而异（例如皮肤微生物群）。微生物热点和热点时刻通常紧密相连。例如，土壤的特征是存在所谓的微生物热点（包括根际，小球层或碎屑层在内的空间分离）和热时刻（时间动态）。在热点中，活跃代谢微生物的比例是非热点中微生物的2-20倍，与微生物活性较低的部位相比，热点中微生物组结构和功能的时间变化更具动态性。06核心微生物群定义基于共现分析和捕获微生物群落时空动态的实验数据，研究人员寻求定义核心微生物群落。这确实是有帮助的，因为本地微生物群通常非常复杂，包括来自不同王国的数千种物种。定义核心微生物群可以帮助区分微生物群的稳定成员和永久成员，这些种群可能是断断续续的，仅与特定微生物组状态相关或仅限于特定环境条件的种群。Shade和Handelsman提出了第一个建议，他们将核心微生物组定义为来自相似栖息地的微生物群落之间共享的一组成员，以鉴定复杂微生物群中稳定，一致的成分。当前，核心微生物群主要是根据具有分类学信息的DNA序列来定义的。考虑到基于DNA的分析（主要是标记基因的扩增子测序）的分辨率极限，但是很明显，核心微生物群主要是通过群体的属级鉴别来定义的，并且菌株特异性和功能变异是不考虑的。功能性核心微生物群包含携带复制子的媒介相比之下，Lemanceau及其同事提出了一个功能性核心微生物群，该微生物群包含携带复制子（基因）的微生物媒介，而复制子具有对整体生命的基本功能。最近，Toju等人提出了核心微生物群的概念，专门用于将农业生态系统管理为物种丰富的社区； 他们将核心定义为“形成相互作用核心的微生物集，可用于在各个植物和生态系统级别优化微生物功能。”“核心”微生物群似乎保持相当恒定Astudillo-García及其同事在审视高度多样化的海洋海绵微生物系统时，评估了不同核心微生物群定义的影响。虽然在定义核心社区时必须谨慎，但是，总体结果似乎对核心定义的变化相对不敏感。瞬时微生物群随时间变化，这取决于环境条件，营养的可获得性和/或宿主的生长和健康阶段，甚至昼夜节律。相反，“核心”微生物群似乎保持相当恒定。就时间动态而言，核心微生物群描述了与给定宿主基因型或特定环境持续相关的微生物群落（图4a）。这一概念的例外情况也被描述过，例如，在最佳适应再次发生水合/脱水循环的微生物组中，不同的细菌群落在循环中发挥了不同的功能：两者均属于核心。类似地，在空间尺度上，例如，考虑在同一地理区域或同一地理区域的一系列土壤中生长的植物，核心微生物群不变（图4b）。07从功能预测到表型研究微生物组的当前可用方法，即所谓的多组学方法，范围从高通量分离（培养组学）和可视化（显微镜）到靶向分类学组成（宏条形码）或解决代谢潜能（功能基因的宏条形码，宏基因组学） 分析微生物活性（代谢组学，代谢组学，代谢组学）（下图）。图5 评估微生物功能的方法基于宏基因组数据，可以重建微生物基因组。 虽然从环境样品中重建了第一个由基因组组装的基因组，但近年来，数千个细菌基因组在没有培养其背后的生物体的情况下被组合在一起。 例如，最近从9,428个宏基因组中重建了全球154,723个微生物基因组。然而，由于一方面微生物基因组DNA序列数据的大量可利用性与另一方面确认基因功能的宏基因组学预测所需的微生物分离物的可利用性之间缺少联系，理解仍然受到很大限制。宏基因组数据为新的预测提供了场所，但是需要更多的数据来加强序列与严格的功能预测之间的联系。 考虑到一个氨基酸残基被另一个残基取代可能导致自由基功能改变，从而导致给定基因序列的功能分配不正确，这一点变得显而易见。此外，需要培养新菌株以帮助鉴定从宏基因组学分析中获得的大部分未知序列，对于研究不足的生态系统，这些序列可能超过70％。根据应用方法的不同，即使在经过充分研究的微生物组中，完全测序的微生物基因组中有40-70%的注释基因没有已知或可预测的功能。另外，目前的估计预测，具有未知功能的域将很快超过已知功能的族。显然需要更经典的微生物学，包括结合使用靶向突变体和微生物生物化学来应对这一挑战。从已经发现的具有未知功能的蛋白家族的全面功能表征中获得的好处，远不止于进一步扩展这些家族的列表。尽管长期以来，结合（广泛的）培养和独立于培养的分析相结合的多阶段方法一直是环境和植物微生物学领域的最新技术，但医学微生物学通常并非如此。 近年来，高通量培养组学建立了人类肠道菌群的参考基因组和培养集。了解原核生物的功能多样性非常具有挑战性因为目前建立的118种门中有85种迄今尚未描述过单一种。最后，原核门的数量可能达到数百个，而古细菌门的研究最少。这个问题需要通过收集尚未培养的原核生物有意义的分类学和功能信息来解决。纯培养中细菌和古细菌的多样性与通过分子方法检测到的细菌和古细菌的多样性之间的差距日益扩大，这导致人们提议主要根据序列信息为尚未培养的分类单元建立正式的命名法。原核生物国际命名法的建议修改根据这项建议，念珠菌属的概念将扩展到密切相关的基因组序列的组，并按照已建立的细菌命名规则公布其名称。对原核生物国际命名法的建议修改引起了以下方面的关注：（1）命名法的可靠性和稳定性；（2）技术和概念上的局限性以及参考基因组的可用性；（3）计算机功能的信息内容预测；（4）识别微生物多样性的进化单位。这些挑战需要克服，以达到一个有意义的分类学尚未培养的原核生物，目前尚不清楚的表型。 在这种背景下，已经做出了巨大的努力来培养来自不同环境的细菌。Staley和Konopka在1985年确定了“大平板计数异常”，它描述了一个事实，即90至99.9％的细菌物种无法在标准实验室条件下生长。对于某些微生物栖息地，尤其是那些具有较高养分含量和微生物活性的微生物，如肠道微生物群所述，相对于通过测序检测到的分子种类，培养物中可利用的代表性菌株的比例从35％增长至65％。来自其他自然栖息地的微生物种群以及微生物组的真核成员也需要类似的进展。微型真核生物，如原生动物、真菌和藻类的成员，通常可以更好地培养和显微镜下研究；然而，它们的系统发育和分类学更复杂，研究较少。有趣的是，来自不同环境的16S和18srRNA基因的无引物测序表明，在微真核生物中，有大量以前未检测到的类群。同位素探测技术除了当前使用的计算机模拟比较和培养方法外，还可以使用一组同位素探测技术直接测试复杂微生物群落中的功能假设。这些方法包括DNA，RNA，蛋白质和脂质稳定的同位素探测（SIP）以及FISH显微放射自显影，FISH-NanoSIMS和FISH-Raman显微光谱学，后三种方法仅提供一种细胞分辨率。RACS平台无需培养即可研究微生物代谢途径最近，开发了一种微流体拉曼活化细胞分选（RACS）平台。在最近的一项研究中，Lee和他的同事在存在氘水的情况下，允许小鼠结肠菌群中的细胞代谢未标记的目标化合物（粘蛋白）。随后，使用RACS平台从复杂的微生物组中选出了活跃地代谢粘蛋白的氘标记细胞，并通过单细胞基因组学和培养方法进行了进一步分析。这种方法允许以一种新型的无栽培方式将微生物的代谢表型与其基因型联系起来，从而使从微生物的潜能到微生物的功能成为可能（图5）。尽管取得了一些进展，但这种功能分类平台的产量仍然有限，而FISH和生物正交非标准氨基酸标记（BONCAT）等互补的新技术解决方案将有助于微生物组研究中更迫切需要的以表型为中心的研究。08宿主微生物共进化宿主及其相关微生物之间的密切关系引起了宿主及其相关微生物群共同进化的理论。协同进化是沿袭相互适应的谱系。一个例子是建立早期的陆地植物，这是由共生真菌联合体促进的，这表明植物自从首次出现在土地上以来就已经与微生物共同进化了。另一个例子是真核生物。 线粒体和质体是真核细胞中的细胞器，来源于内共生细菌，在整个进化过程中，它们完全取决于宿主，反之亦然。 为了促进对微生物群的全面了解，需要考虑宿主微生物的协同进化（下图）。图6 对微生物-宿主协同进化的理解从“分离”理论转向整体方法基于微生物与其宿主之间的相互作用，将微生物分为有益的，致病的和中性的，是广泛引用的Lederberg和McCray关于微生物组定义的一部分。根据他们的解释，拮抗协同进化包括宿主-寄生虫的相互作用，而当积极相互作用占优势时，则存在互助协同进化。这种积极的相互作用可能演变成专性共生，垂直遗传和代谢协作（上图）。根据致病微生物，有益微生物和中性微生物与宿主之间的相互作用，对致病微生物，有益微生物和中性微生物进行分类可能对微生物宿主相互作用在调节宿主适应性中起核心作用的研究（例如医学研究）有用。 然而，对致病性数据的解释应谨慎。对条件致病菌的最新研究表明，宿主与微生物的相互作用不仅取决于宿主，还取决于整个微生物组。自然抑制疾病的土壤表明植物和许多土壤传播条件致病菌的情况类似。此外，在许多环境研究中，可能没有长时间可利用的特定宿主，这使得划分致病菌和有益菌变得无关紧要。与其研究一种特定微生物与其宿主之间的相互作用，不如考虑基于全环素理论的整体方法（图6）。 按照这种方法，宿主及其微生物组之间的有益相互作用负责维持整体生物的健康，而疾病通常与微生物失调有关。在失调的背景下，建立了“病原体组”概念（图6），该概念代表了整合在其生物环境中的病原体，并应用于多种病理系统。这种方法表明，微生物多样性是预防植物和人类肠道疾病的关键因素。尽管进行了众多研究，定义了“健康的微生物群”，但是在未来，平衡和失调之间的界限仍然是一个重大挑战。微生物与宿主之间相互作用的另一种有趣解释是所谓的“安娜·卡列尼娜原理” 。声明指出，与列夫·托尔斯泰的格言类似，“所有幸福的家庭看起来都一样； 每个不幸的家庭都会以自己的方式感到不幸。”与健康的个体相比，菌群失调个体的微生物群落组成差异更大例如，健康珊瑚的微生物群比患病珊瑚的微生物群更均匀。 同样，最近的一项研究发现，炎症性肠病患者的群落组成和免疫反应的稳定性明显低于健康人。进化过程和选择压力极大地推动了宿主-微生物的相互作用因此，区分为人造的，以人为中心的类别可以随时间变化。一个例子是幽门螺杆菌，它是二十世纪初期几乎所有人胃中的优势微生物，在短短100年内几乎消失了。 幽门螺杆菌一方面是消化性溃疡和胃癌的危险因素；另一方面，这种细菌的丢失与儿童时期的哮喘，花粉症或皮肤过敏有关。微生物与其预期宿主之间复杂的进化相互作用的另一个例子是病原体的出现，如嗜麦芽单胞菌，这种植物相关起源的细菌与全球人类条件致病菌株没有区别。 总而言之，自然选择被认为有利于塑造群落组成的宿主，从而促进有益的宿主微生物共生，但是许多因素可以使这种动态失衡，从而诱导宿主微生物组内对病原性或拮抗性微生物的选择。基于计算模型，Lewin-Epstein等人提出，操纵宿主以利他行为行动的微生物可能会受到选择的青睐，并可能在利他主义的广泛发生中发挥作用。宿主微生物共同进化导致与植物和动物相关的特定微生物群。这种特异性的程度受许多因素影响，并且在系统发生分支之间也有所不同。 对于代表地球上最古老的陆地植物的苔藓而言，其植物特异性异常高。 这种特异性与宿主的地理来源无关，并且从子孢子垂直传递至配子体，反之亦然。驯化和育种活动也可以显着影响宿主微生物组在某些情况下，其程度也超出预期。消失的微生物群系的理论表明，流行的慢性病是由人为微生物群向多样性降低的转变所引起的。考虑到这一点，重要的是重新考虑我们的行为（例如，对家庭环境进行“过度清洁”）并评估作物管理方法（例如育种策略），以避免丧失共同进化的有益宿主微生物相互作用。09微生物组研究技术标准在过去的十年里，面对微生物学领域显著而持续的技术进步，研究界未能为微生物组研究制定一致的标准。这导致了许多缺点，包括缺少实验室间数据交叉比较的可能性，或者在最近的研究中使用“旧”技术生成的数据的实现。有大量出版物表明DNA提取和加工程序对微生物组的后续分析存在偏差。使用定义的模拟群落一方面可以帮助确定最佳的提取方法，另一方面可以作为内部控制来估计整个工作流程和分析中的可能偏差。但是，即使将模拟群落实施到分析中也不能解决所有问题，这会给从环境样本中进行微生物群落的分子分析带来偏差。 例如，不能通过将模拟群落应用于土壤来反映土壤微生物对土壤颗粒的自然吸附过程。此外，在复杂的栖息地（例如土壤）中，多达80％的提取DNA可能包含遗物DNA（死细胞的细胞外DNA以及活细胞的分泌DNA）。这种残留的DNA可能会增加观察到的原核和真菌的多样性，并导致对分类单元相对丰度的估计不准确。PMA法有效地抑制了革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌死亡细胞中DNA的PCR扩增Nocker等人提出了一种可能的解决方案使用叠氮溴化丙锭(PMA)的方法，该单叠氮化物仅穿透膜受损的细胞，其中光诱导的叠氮化物基团与DNA共价结合； 这种交联有效地抑制了革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌死亡细胞中DNA的PCR扩增。该方法已成功应用于微生物组研究，尤其是微生物丰度低和活性低的研究，但这还不是标准。DNA处理中的一个众所周知的例子是通过分析引物组和引物选择和PCR诱导的选择性扩增或大量未知读物。Karst等人开发的无引物rRNA基因测序方法促进了未知微生物多样性的发现。作者建议将SSU rRNA分子的poly（A）尾和逆转录与合成的长读测序结合起来。使用这种方法，他们能够以高通量产生高质量，全长的SSU rRNA序列，而没有引物偏倚，并且在他们的研究中观察到了迄今未描述的多样性中的很大一部分。对获得的序列数据进行生物信息学分析既不是标准化的，也不是明确表达的偏见。为了进行16S rRNA基因序列的数据评估，可以使用免费软件解决方案和完善的论坛，例如Qiime2和Mothur。操作分类单元（OTU）长时间用于分析高通量条形码，例如使用标记基因（如16S rRNA和/或ITS区域）获得高通量测序数据。另外，可以使用基于精确解析的扩增子序列变体（ASV），低至测序基因区域上的单核苷酸差异水平。立即获得更好的分辨率的好处显而易见，ASV作为具有固有生物学意义的一致标签的状态独立于参考数据库而被确定。可重用性，可再现性和全面性方面的改进足够大，以至于ASV可以取代OTU作为标记物基因分析和报告的标准单元。为了比较不同的工具和管道，已经进行了一些研究和联合项目，结果表明，根据工具或管道以及所使用的设置，结果存在显着差异。显然，除了足够的测序深度之外，用于注释读段的数据库的选择对结果有很大影响。此外，通常会自动完成的参数选择（例如截止值，嵌合体过滤等）对结果有很大影响。例如，由于数据评估方法仅允许调查代表性超过1％的分类单元，因此经常忽略稀有分类单元。然而，这种罕见的分类单元最多占所有微生物的28％，可以代表某些生境中的关键角色，并且可能对构建社区具有重要意义。它们在生物地球化学循环中可能起着过比例的作用，并且可能是微生物组功能的隐性驱动因素。而且，携带抗生素抗性基因的微生物通常属于天然微生物群中的稀有分类群。 在压力条件下，它们为健康和生存提供了保障，并确保了生态系统的可塑性。但是，在动物和人类肠道微生物组中，这些方面对于疾病暴发和治疗至关重要，因此在WHO对抗生素耐药性扩散的预测中得到了应用。同样，在这里，计算资源仍然是使生物信息学成为微生物组分析瓶颈的问题。Ten Hoopen和他的同事描述说，例如，塔拉海洋微生物群项目的一个子集，已经对原核生物进行了尺寸划分，包括135个样本。对于这些样本的分析，需要248次运行，其中包含288亿次读取，分析输出代表大约10 TB的数据。这项广泛的研究产生了232亿个预测的蛋白质编码序列。为了处理如此大的数据，在过去的10年里出现了几个全球微生物组学项目，如人类微生物组群项目和地球微生物组群项目。此外，宏数据方面的巨大差距，通过阻碍研究的可比性和综合分析，限制了微生物组分析。确实有一些数据存储库，例如序列读取档案SRA（NCBI）、欧洲核苷酸档案（ENA）或CNGB核苷酸序列档案（CNSA）。然而，在许多情况下，数据只“按要求提供”，这与可查找、可访问、可互操作和可重用（公平）原则相矛盾。即使数据是可用的，宏数据往往缺乏重要的信息，并且没有得到包括实验和统计研究设计信息在内的知识库的充分审查。Schloss和他的同事发表了一篇综合性的综述，关于识别和克服微生物组学研究中再现性、可复制性、稳健性和普遍性的威胁。因此，迫切需要标准化和开发正确和全面的宏数据存储库平台，如Proctor所示，他开发了人类病原体/载体基因组序列的项目和样本应用标准。Ten Hoopen和他的同事描述了一个设计良好的策略，允许制定和应用标准，并根据公平原则从微生物组研究中获得可比较和可重用的数据。10微生物研究的未来展望与挑战在经济学技术进步的推动下，微生物组数据的不断增加，使得我们对微生物组群在提高不同系统的生产力和可持续性方面的潜力的理解有了极大的提高。应用微生物研究的宏伟愿景是改善人类、动物、植物和整个生态系统的健康。一般来说，微生物组可以通过以下方式直接管理：（i）微生物组移植（ii）具有有益特性的微生物（iii）微生物群活性代谢物，或通过改变环境条件，使微生物群也将其结构和功能从失调状态转变为健康状态。在比较人类、动物和种植系统中基于微生物的应用时，可以看到显著的协同作用（下图）。虽然各个领域还没有很好地联系起来，但所有领域的一致趋势已变得明显。这一趋势涉及到对定制治疗的关注，例如，“下一代”精确农业或个性化药物（下图）。这一概念认识到，并不是所有的个体宿主及其相关的本土微生物群都会以相同的方式对特定的引入微生物、微生物群落移植或代谢物作出反应。图7 跨领域的微生物组应用趋势相反，它依赖于对那些特定宿主微生物、环境微生物和微生物相互作用的基本理解，这些微生物在不同的环境中调节微生物组合和功能能力。Stegen等人在其微生物组管理的概念框架中，建议在不同领域进行更大的串扰，例如，利用环境微生物组学中的特定生态概念来指导优化策略，以操纵人类微生物群，从而改善健康状况。通过为各种环境和代谢疾病提供有趣的解决方案，人类微生物群正逐渐成为个性化医学的一个关键目标。不仅有助于疾病各个方面的个体差异，也代表了潜在的治疗目标，可通过治疗，饮食变化，使用前，益生元或合生元，与之相对应的生命生物治疗产品来调节物种或物种混合（合成微生物群）和微生物组移植。植物生物群落路线图以此类推，植物微生物组被认为是下一次绿色革命（到2030年的科学突破）的关键。结合植物育种，精准农业，农业管理和微生物组研究的系统方法，为在不断变化的世界中改善可持续作物生产提供了强有力的战略。跨学科团队将这种方法包含在特定环境中可能影响植物生产的许多生物和地球物理成分，称为“植物生物群落路线图” 。特定于物种和栖息地的植物微生物区系对植物整体生物的功能有多个方面，例如（i）种子发芽和生长，（ii）营养供应，（iii）对生物和非生物胁迫因素的抵抗力，以及（iv）产生生物活性代谢物。 由于其对作物健康的重要性，对植物微生物组进行了长期的研究。此外，在农业领域开发了广泛的微生物组管理策略和产品清单，包括（i）微生物组移植（粪便和生物动力添加剂），（ii）微生物接种剂，（iii）微生物和植物提取物以及（iv）改变环境条件的方法。在过去的几十年中，管理密集型农业主要依靠合成化学物质，导致严重的环境和健康问题以及生物多样性丧失。另一方面，对植物微生物组学的研究将支持针对田间特定条件的针对性和预测性管理方法，从而可以提高可持续性。种子/根际微生物组对植物至关重要，与我们的食物微生物群紧密相连与人类肠道微生物组相似，种子/根际微生物组对植物至关重要，种子是下一代微生物的理想靶标。 Pérez-Jaramillo及其同事提出了种子的“回归根源”方法，这为揭示野生亲缘种和古代传家宝品种的种子微生物群提供了一个有趣的机会，以节省有益的种子微生物群用于农业。利用农作物野生近缘种的种子微生物群或利用有前途的生物资源，有可能实现植物与其特定种子微生物群之间的匹配共生。 收获后微生物群与我们的食物微生物群紧密相连，也可以针对食品的所需功能特性进行管理，例如安全性和保存性，感官或健康特性。这代表了一个相对尚未开发的基于微生物组的应用，它正在受益于食品生态系统中新出现的大量数据。生活方式-微生物-人类-健康的联系微生物群的重要性超出了个体宿主的健康。来自不同宿主和生态系统的微生物可以相互作用并相互影响。这些观察结果导致了“健康环境促进健康人类”的口号，支持“One Health”概念。【注：“One Health”意指多学科共同合作,为人类健康,动物健康,环境健康三者共同成为一个健康整体而进行的工作和努力.“One Health”是一个新的名词,但是这一概念是很早之前已经存在的.2003年4月7日,华盛顿邮报的Rick Weiss引证了兽医博士William Karesh的话“人类和家禽或者野生动物的健康再也不能分开谈论了,世界上只有‘One Health’,所有的问题解决办法需要各个学科的工作人员共同努力,在不同的层面为问题的解决作出贡献.”关于“One Health”,目前国内翻译的名称非常不一致,比如“唯一健康”,“共同健康”,“一体化健康”, “大健康"等，编者在此不做翻译。引自：Xiao Zheng, 陆家海, Sarah K.White,等. 应用"One Health"策略解决复杂健康问题[J]. 中华预防医学杂志, 2014, 000(012):1025-1029.】根据世界卫生组织的说法，“One Health”是一种设计和实施方案、政策、立法的方法，以及多个部门进行交流和合作以取得更好的公共卫生成果的研究。“One Health”概念的扩展，包括环境健康及其与人类文化和习惯的关系表明，在社会决策和政策制定过程中，应考虑生活方式-微生物-人类-健康的联系（图7）。例如，城市化与过敏、哮喘和其他慢性病的增加有关。此外，在城市地区观察到总体污染模式，即微生物多样性的显著丧失，这与疾病的发展有关。Dominguez Bello等人表明，伴随工业化而发生的人类微生物群的变化可能是代谢、免疫和认知疾病急剧增加的潜在因素，这些疾病包括肥胖、糖尿病、哮喘、过敏、炎症性肠病和自闭症。多样性的丧失反过来又与细菌对抗生素的耐药性增加相关，因此，需要实施策略来恢复建筑环境中的细菌多样性。了解不同宿主和栖息地的微生物群之间的复杂联系及其与人类、动物和植物健康的关系，为在One Health概念的背景下进行诊断、治疗和干预提供了创新和整体方法的潜力。类似One Health，存在着将人类与环境健康联系起来的不同概念；行星健康概念是最流行的概念。许多国家和国际生物经济战略也承认这一主题，在这些战略中，可持续的生物产品生产满足了经济的需求。毫无疑问，要使这些概念成为成功的故事，不仅需要自然科学不同学科之间的相互关联战略，而且需要社会科学和利益相关者的整合。然而，我们现在所面临的往往是相反的：生物多样性丧失、污染、臭氧消耗、气候变化、生物地球化学循环边界的跨越，都是人类世这个时代的特征。上新世也反映在行星边界概念中。人类活动已经跨越了九个行星边界中的四个：气候变化、生物圈完整性的丧失、陆地系统的变化和生物地球化学循环的改变。首先，研究表明，它们改变了整个微生物群落的功能和遗传多样性；然而，关于这些人为因素对不同微生物群落的影响及其对我们地球的影响的更多知识是绝对必要的。在这里，研究人员认识到迫切需要更多的研究，特别是关于环境微生物组和人为驱动变化的机制性见解。了解海洋和陆生微生物群落及其相互作用可能是找到解决与上流新世相关的巨大挑战的关键。微生物群管理和基于微生物群的高潜力创新的开发在各个应用领域都是有希望的，但同时也应仔细评估这些新的和有前途的技术对环境的影响。11结 语基于该领域的最新进展，研究人员建议恢复Whipps等人提出的微生物组术语的原始定义。该定义包含了1988年发表后30年内仍然有效的所有要点，并通过两个解释性句子对微生物群和微生物组进行了区分，并宣布了其动态特征。微生物组微生物组被定义为一个具有独特理化性质的、占据合理、明确的栖息地的微生物群落。微生物组不仅指所涉及的微生物，还包括其活动区，从而形成特定的生态位。微生物组是一个动态的、互动的微生态系统，在时间和规模上都会发生变化，它整合在包括真核生物宿主在内的宏观生态系统中，对它们的功能和健康至关重要。微生物群微生物群由属于不同领域的微生物组成（原核生物[细菌、古生菌]、真核生物[例如原生动物、真菌和藻类]），而“它们的活动区”包括微生物结构、代谢物、可移动遗传元素（例如转座子、噬菌体和病毒）以及嵌入到栖息地的环境条件。此外，作者认为以下几点对于微生物组研究至关重要：1.核心微生物群是一组来自相似栖息地的微生物群落之间共享的成员，这对于了解稳定性，可塑性以及在复杂微生物组合中的功能非常重要。2.从宏观生态学改编的理论可能有助于理解不同环境中微生物组动力学的模式，但需要验证其一般应用。3.每个微生物组研究的基础都是适当的实验，方法和统计设计。 在设计中应通过以下方式实现空间，时间和发育的整合：（i）根据系统特性选择适当的采样频率，以捕获完整的核心和瞬时微生物区系；（ii）通过考虑系统的适当空间规模 认识到规模的子集也与微生物群评估有关，并且（iii）对于强动力系统，应考虑研究微生物分布的时空连续体，而不是捕获一个特定的矩/空间单位。4.方法学的进步极大地推动了微生物组的研究。 尽管在这方面取得了所有进展，但是还没有完美的通用方法。技术工具箱将减少每种技术带来的偏差，并从整体上更完整地了解生物系统。5.微生物功能在生态系统中起着重要作用。 因此，我们建议在微生物组研究中包括几种当前可用方法的组合，以便对微生物功能有更深入的了解。6. 尽管在过去十年里，我们获得了大量的组学数据，但我们仍然缺乏关于其背后的生物信息。因此，在微生物组学研究中实施更多基于培养的方法需要大力的努力，这样可以描述特定微生物群的生态类型和适应环境的模式。7.微生物相互作用是微生物群落功能和进化动力学的基础。 因此，我们提倡考虑研究设计中的相互作用。8.宿主与微生物的相互作用决定了相互适应性，表型和新陈代谢，从而提出了微生物群及其宿主的协同进化理论。 我们建议基于进化的全基因组理论的整体方法。 整体人的疾病状态以生物失调（病原体组）为特征，而尤物病是指平衡的宿主－微生物相互作用（“健康”微生物组）。9.根据微生物与宿主之间的相互作用，将微生物分为有益的，致病的和中性的是基于人类中心观。确实，宿主和整个微生物组的生理学在很大程度上影响相互作用的结果。这些澄清和建议的应用将有助于研究人员以整体的方式设计其微生物组学研究，这将有助于开发微生物模型和预测，进而加快我们在生活各个领域设计应用程序的能力。【参考文献】Berg et al. Microbiome (2020) 8:103https://doi.org/10.1186/s40168-020-00875-0人类微生物组正逐渐成为个性化医学的一个关键目标植物微生物组是下一次绿色革命的关键我们一直在微生物领域助力科研,也希望为每个人的健康出一份力

人类对微生物的了解、探索任重而道远，对微生物组的研究有望为人类健康问题和社会可持续发展提供新的解决之道。地球上微生物的诞生可以追溯到35亿年前，远早于人类的诞生。然而，人类与微生物却“相识”甚晚，自1676年荷兰人列文虎克（Antony van Leeuwenhoek）用自制的简单显微镜观察到细菌开始，仅短短的几百年，但这一发现为人类揭开了一个崭新的世界。人类对微生物的利用远早于对其的科学认识在列文虎克通过显微镜观察到细菌之前，其实人类早已开始了对微生物的利用，只是未从科学角度对微生物的形态、功能及作用机制进行描述。早在上古时代，我国就已开始利用曲糵（发霉、发芽的谷粒）进行酿酒，但一直不知道曲糵的本质所在。考古学家在我国贾湖遗址的陶器沉积物中发现了酒石酸成分，经碳-14年代测定距今有9000多年，说明当时人们已经开始通过发酵酿造技术制作饮料，是目前世界上发现的最早与酒有关的实物资料。公元6世纪，贾思勰在《齐民要术》中明确记载了谷物制曲、酿酒、制酱、造醋、腌菜等利用微生物制作食品的方法。除了食品制作外，我国人民很早就将微生物用于农业生产和医疗。春秋战国时期，劳动人民从生产实践中发现腐烂在田里的杂草可以使庄稼长得茂盛，于是开始用腐烂的野草和粪作为肥料；公元前1世纪，世界现存最早的农学著作《氾胜之书》曾提出，利用瓜类和小豆间作的种植方法来提高作物产量；《神农本草经》记载了白僵蚕（即感染白僵菌而僵死的家蚕幼虫）的功效与用法；《左传》也有关于用麦曲治疗腹泻病的记载；《医宗金鉴》则详细记载了种痘防治天花的方法。西方国家也同样有利用微生物的历史，如公元前3000年左右，古埃及人就首先掌握了制作发酵面包、酿制果酒的技术。尽管当时人们通过日积月累的生活实践，已经学会巧妙地利用微生物来改善自己的生产和生活，但是他们并不知道这些方法的实质是微生物在发挥作用。显微镜的发明让人类与微生物相识除了在生产、生活实践中利用微生物外，人类也经受着各种微生物制造的威胁，如瘟疫等。但是，当时人们并不知道是微生物在其中“作怪”。尽管如此，一些科学家还是预见到了某种未知的实体在其中发挥了作用。1642年，明末清初传染病学家吴有性曾在其著作《瘟疫论》中提出传染病“乃天地间别有一种异气所感”，并指出“气即是物，物即是气”，对微生物的存在进行了较为粗浅的预见。16世纪末，简易的显微镜在荷兰诞生，但当时人们并没有将其应用于科学研究中。直到17世纪80年代，列文虎克用其自制的可放大160倍的显微镜对雨水、污水、血液、腐败了的物质、牙垢等进行观察，发现了许多“活的小动物”。他利用显微镜持续地对这些“活的小动物”的具体形态进行了观察和详细描述，并将结果发表在《皇家学会哲学学报》，从此打开了人类对微生物研究的大门。列文虎克也成为世界上第一个观察到球形、杆状和螺旋形的细菌和原生动物的人。在列文虎克之后，不少研究者也通过显微镜对微生物的形态等进行了研究，不断充实和扩大人类对微生物的认知。然而，在其后200年左右的时间里，人类对微生物的认识依旧停留在对其形态的描述上，对它们的生理活动、作用规律以及它们是如何影响人类健康和生产实践的仍一无所知。对“自然发生说”的否定推动了微生物学科的发展尽管列文虎克等科学家开启了微生物研究的大门，但千百年来普遍流行的“自然发生说”依旧盛行，并于18世纪和19世纪达到了顶峰。“自然发生说”认为，生物可以从无生命物质或有机物中自然发生，而不是通过上一代此类生物繁衍产生。“微生物学之父”、法国科学家巴斯德（Louis Pasteur）并不这样认为。1859年，他巧妙地设计了著名的曲颈瓶实验对“自然发生说”进行了反驳。在实验中，他选择了曲颈瓶与直颈瓶进行对比，在两个瓶内都装入肉汁，分别用火加热，通过高温对肉汁及烧瓶杀菌，结果曲颈瓶由于颈部弯曲且较长，使空气中的微生物在侧管沉积而不能进入烧瓶，煮过的肉汁不再和空气中的细菌接触，并未发生腐败，而直颈瓶内的肉汁则很快发生了腐败。这个实验有力地反驳了“自然发生说”，证明了微生物在腐败食品上并不是自发产生的。巴斯德在研究制酒时酒为什么会变酸的过程中，证明了并非发酵产生微生物，而是微生物引起了发酵，并发现环境、温度、pH值、基质成分以及有毒物质等因素都以特有的方式影响着不同的微生物。为了解决酒变酸这一问题，他发明了“巴氏灭菌法”，即利用较低温度做短时间加热处理，杀死有害微生物的同时又能保持食品中营养物质风味不变的消毒法。这种方法至今仍在食品生产中被广泛使用。巴斯德还一直致力于致病微生物及免疫方法的研究，开创人类防治传染病的新时代。19世纪50年代起，巴斯德通过对蚕病、牛羊炭疽病、鸡霍乱和人狂犬病等传染病病因的探究试验对“疾病细菌学说”进行论证，证明了微生物是引起传染性疾病的媒介。1881年，巴斯德公开演示证明了给健康的牛注射毒性减弱的炭疽杆菌，会使这种病发作轻微但不致命，之后还会使牛对此病产生免疫力。这次演示引起了医疗界和社会的巨大轰动，为人类与传染病的斗争提供了新的武器。随后，他又成功地研制出鸡霍乱疫苗、狂犬病疫苗等多种疫苗，拯救了无数的生命，为免疫学的创立奠定了基础。在巴斯德以实践论证“疾病细菌学说”的同时，德国医生科赫（Robert Koch）于1876年在《植物生物学》杂志上发表了关于炭疽杆菌的研究成果，引起巨大的反响。这是人类历史上第一次用科学的方法证明某种特定的微生物是某种特定疾病的病原。科赫首先从牛的脾脏中找到了引起炭疽病的炭疽杆菌，并把其移种入老鼠体内，使老鼠之间相互感染炭疽病，最后又从其他老鼠体内找到了同样的炭疽杆菌。随后，科赫成功地利用血清在与牛体温相同的条件下培养了炭疽杆菌，并发现了炭疽杆菌的生活规律。1881年，科赫发明了固体培养基划线分离纯种法，解决了液体培养基培养细菌时各种细菌混合生长难以分离的问题，这种方法的发明使得多种传染病病原菌相继被发现。为了更加清晰地对细菌的形态进行观察，科赫对细菌试验的方法进行了改进，如干燥方法、染色方法等，还建立了悬滴标本检查法和显微摄影技术。此外，科赫还提出了一套系统的研究方法——“科赫原则”。这些研究和技术方法至今仍在使用，为微生物学研究奠定了方法学基础。研究者开始运用“实践—理论—实践”的思想方法开展微生物研究工作，并建立了许多应用性分支学科，如细菌学、真菌学、土壤微生物学等。这不仅丰富了微生物学的研究内容，大大加速了微生物学的发展，也使得19世纪70年代到20世纪20年代成为病原菌发现的黄金时代，大量的病原菌浮出水面，使人类对疾病有了更深的认识。青霉素的发现与应用推动了微生物工业化培养技术的发展1897年，德国生物化学家布赫纳（Edward Buchner）用酵母菌无细胞压榨汁对葡萄糖进行酒精发酵获得成功，证明了发酵过程主要是依靠酵素而不是酵母细胞发挥作用，从而发现了酒化酶，将微生物学从生理研究阶段推进到了生化研究阶段。随后，研究者开始广泛寻找微生物的有益代谢产物，许多酶、辅酶、抗生素都是在这一时期被发现的。这些发现推动了普通微生物学的形成。这一阶段，最有代表性的发现和发明当数青霉素。19世纪，工业革命大大提高了人们的生活水平，但细菌感染导致的死亡率居高不下。在这个没有抗菌药物的时期，面对肆虐的疫情，人们束手无策。19世纪末至20世纪初期，尽管人类已经开始采用苯酚、硼酸、醇类进行手术消毒，大大降低了术后患者的死亡率，但这类消毒试剂并不能深入病灶，对于已经存在的细菌感染仍无法治愈。1908年，德国科学家埃尔利希（Paul Ehrlich）发现了化合物砷矾纳明可用于治疗梅毒，拉开了人类寻找抗菌药物的序幕。1928年，英国细菌学家弗莱明(Alexander Fleming)意外发现在他的实验室里有一个葡萄球菌培养基受到了一种霉菌的污染，培养基中受污染区域里的葡萄球菌消失了。经过几天的观察，弗莱明发现霉菌逐渐发展成了菌落，培养汤呈淡黄色，还具有了杀菌能力。于是，他推断真正的杀死葡萄球菌的物质应该是霉菌生长过程中的代谢产物。他将这种代谢产物命名为青霉素，并发现青霉素能抑制多种有害细菌的生长，对人和动物却无毒。1929年弗莱明将其研究结果发表在《英国实验病理学杂志》上，尽管当时并未引起学术界的高度重视，但弗莱明坚信青霉素将会有重要的用途。由于弗莱明当时并没有对青霉素治疗效果开展系统性的观察试验，且他并不了解生化技术，无法将青霉素提取和纯化，难以在实际中应用，这一成果就这样被埋没了10多年。20世纪40年代，澳大利亚裔英国病理学家弗洛里（Howard Florey）和德裔英国生物化学家钱恩（Ernst Chain）偶然发现了弗莱明的论文，产生了极大的兴趣。他们重复了弗莱明的试验，对青霉素进行了提取和纯化，并进行了动物试验。1940年8月，他们将研究的全部成果发表在《柳叶刀》杂志上，被医学史上称作“青霉素的二次发现”。1941年2月，他们成功地运用青霉素治愈了一位因划破了脸导致伤口感染而患了败血症的警察。尽管试验清楚地表明了这种新药具有惊人的效力，但单靠实验室提取，并不能满足人类的需求。随着第二次世界大战爆发，英国、美国政府意识到要想将青霉素广泛地应用于各种疾病以及伤员救治中，就必须实现工业化大规模生产。在美国政府的鼓励和制药企业的参与下，青霉素得以大规模生产和应用到战争伤员的治疗中，并逐步在公民医疗中使用，惠及全世界。青霉素的发现和应用开启了一场从自然界天然菌体中筛选出抗生素的运动，链霉素、头孢菌素、万古霉素、红霉素等天然抗生素相继被发现和应用，人类终于在与致病细菌的搏斗中略占上风。DNA双螺旋结构模型的建立使微生物研究进入分子水平1928年，英国细菌学家格里菲斯（Frederick Griffith）通过试验发现把活的RⅡ型无毒肺炎双球菌株和死的SⅢ型有毒株，混合注射至健康小鼠体内，小鼠患病死亡，且能从小鼠体内提取出活的SⅢ型有毒株，并且这种有毒株能世代繁衍，即细菌转化现象。由于当时技术水平的限制，格里菲斯并没有确定究竟是什么物质导致了细菌转化，但格里菲斯的试验为后来证实DNA就是遗传物质提供了宝贵的思路。随着化学提纯等技术的进步，美国科学家艾弗里（Oswald Avery）、麦克劳德（Colin Macleod）和麦卡蒂（Maclyn McCarty）对格里菲斯的工作进行了延伸，成功解释了细菌转化的原因，证明了引起转化现象的是细胞内的脱氧核糖核酸分子，而非当时人们普遍认为的蛋白质，开启了分子遗传学研究的大门。1953年，英国生物学家克里克（Francis Crick）和美国分子生物学家沃森（James Watson）建立的DNA双螺旋结构，让人们真正了解了遗传信息的构成和传递的途径，正式开启了分子生物学时代。在科学家破解“遗传的秘密”的同时，1933年，德国物理学家鲁斯卡（Ernst Ruska）研制出了世界首台电子显微镜，让人类能够更加清楚地认识微生物细胞的详细结构，为探索更加微观的生物世界奠定了坚实的技术基础。微生物学研究便逐渐成为生物学研究领域的“明星”，被推到了整个生命科学发展的前沿，获得了迅速的发展，大约1/3的诺贝尔生理学或医学奖获得者都是由于其在微生物问题研究中获得的成就而获得殊荣。1946年，美国遗传学家莱德伯格（Joshua Lederberg）与塔特姆（Edward Tatum）通过试验发现了细菌的遗传重组。他们把两个需要不同生长因子的大肠杆菌营养缺陷型混合培养在基本培养基上时出现了野生型，而分别培养时则从未出现，从而说明了遗传重组的普遍性。1952年，莱德伯格发现了细菌的F因子，揭示了作为供体细胞的细菌可以把遗传物质传递给作为受体细胞的细菌。莱德伯格的一系列研究证明了特定细菌可通过杂交方式进行繁殖，有力地反驳了当时科学界认为的“细菌太过简单，不适合进行遗传分析研究”的观点。此外，莱德伯格在研究中还创立了一套强有力的细菌遗传学试验方法，为细菌遗传学的建立奠定了基础，后续对细菌遗传学的研究大多基于这一试验方法开展。1977年，美国科学家乌斯（Carl Woese）率先利用核糖核酸（RNA）研究原核生物的进化关系，提出了“生物三域理论”，即可将自然界的生命分为细菌、古生菌和真核生物三域，揭示了各种微生物之间的系统发育关系，使微生物学研究进入成熟阶段。在这一阶段，研究者更多地在基因和分子水平上研究和揭示微生物的生命活动规律，包括研究微生物大分子结构和功能，不同生理类型微生物的各种代谢途径、代谢活动等，微生物的形态构建和分化、病毒的装配以及微生物的进化等。微生物学的基础理论和独特实验技术催生了大量理论性、交叉性、应用性和实验性分支学科飞速发展。同时，人类在应用微生物改善生产、生活方面，也朝着更有效、更可控的方向发展，如以大肠杆菌等细菌细胞为工具进行基因转移、编辑等，或通过基因工程技术开发菌种资源提高发酵工程效率。新一轮科技革命的战略前沿领域——微生物组人类对微生物的研究已超过百年，越来越多的研究表明了微生物在人类生产、生活中的重要作用。然而，尽管随着显微技术、成像技术、测序技术等的不断发展，人类对微生物的研究经历了从生理、生化到分子层面的演进，但我们对微生物依然缺乏了解，从数量上看目前人类所认知的微生物还不足其总量的1%。随着人类对生命奥秘的探索越来越深入、越来越迫切，生命科学与其他科学的融合交叉也越来越密切，基因组学、蛋白质组学等研究逐步形成体系，把单个生命体作为一个复杂系统、把生态系统作为一个有机整体进行研究，已成为当今生命科学研究的主要特征，对微生物的研究也是如此。目前，学术界界定的微生物组是指一个生态系统中全部微生物资源及生命信息，包括它们与其环境中生物和非生物因子之间的各种关系。可以说，从人到地球生态系统的各种大大小小的系统中，微生物组无处不在，且互相紧密结合，微生物组的稳定结构和正常运转是人类健康、生态系统稳定的重要保障。自2007年美国启动“人类微生物组计划”以来，加拿大、日本、法国、欧盟、中国积极参与，并先后启动了相关的微生物组计划，足以说明世界各国已将微生物组研究作为战略科技前沿领域。从研究方式看，微生物组更加强调多学科的交叉会聚和跨领域的合作研究。从技术手段看，除了培养组学、高通量测序和生物信息技术等为代表的新一代微生物学技术外，宏基因组学技术在微生物组研究中也发挥了重要作用，它运用功能基因筛选或测序分析等手段，通过对环境样品中的微生物群体基因组进行研究，对微生物多样性、种群结构、进化关系、功能活性、相互协作关系及与环境之间的关系进行解析。从应用前景看，目前微生物组研究主要围绕系统解析微生物组的结构和功能、厘清相关调控机制等方面开展，并逐步形成了从基础研究到应用产业化的创新链条。以被称为“人类第二基因组”的人类微生物组为例，现有研究表明人体微生物组在消化、代谢、免疫、疾病预防和治疗等方面都发挥着重要作用。目前，肠道菌群检测已经转化为临床技术，可用于癌症筛查、疾病治疗和药物开发等方面。同时，在代谢病治疗，尤其是肥胖症和糖尿病的治疗上，微生物组的研究成果也发挥了重要作用。为了更大限度地发掘和研究不同生态系统中的微生物组资源，2016年5月美国宣布启动“国家微生物组计划”以支持跨学科研究，开发平台技术，解决不同生态系统中微生物的基本问题，并提高微生物数据的访问等。我国也非常重视对微生物组的研究，《“十三五”国家科技创新规划》就将人体微生物组研究摆在了重要位置，明确提出了“开展人体微生物组解析及调控等关键技术研究”的任务。《“十三五”生物技术创新专项规划》还确定了“力争在微生物组学技术等方面取得重大突破，使相关研究水平进入世界先进行列”的目标要求。2017年12月，“中国科学院微生物组计划”正式启动，该计划汇集了国内微生物组研究领域的权威机构，包括中国科学院上海生命科学研究院、中国科学院生物物理研究所、北京协和医院等14家机构，聚焦“人体和环境健康”微生物组研究，为人类健康问题和社会可持续发展提供新的解决之道。可以预见在不久的将来，微生物组研究的相关成果和技术将更加广泛地渗透到医药、农业、能源、工业、环保等领域，成为破解人类健康、环境生态、资源瓶颈、粮食保障等重大问题的重要路径。无处不在的微生物与人类共同生存了数百万年，它们曾造福于人类，也曾给人类造成毁灭性的灾难，始终保持着“亦敌亦友”的奇妙关系。人类对微生物的了解、探索任重而道远，对微生物组的研究也许正是我们打开未知世界大门的钥匙，我们期待着微生物组的研究能够帮助人类更好地了解微生物、利用微生物以应对当今和未来所面临的巨大挑战。作者：邓元慧，中国科协创新战略研究院助理研究员，博士。王国强，中国科协创新战略研究院研究员，博士，主要研究方向为科技史、科技政策和科技传播。本文来自《张江科技评论》

在我们身边，有这样一群可爱的小精灵：它们个体微小，小得你不得不借助显微镜才能捕捉到它们的身影；它们种类繁多，细菌、真菌、放线菌、病毒都是它们中的一员；它们结构简单，有的甚至连细胞结构都没有；它们历史悠久，可以说它们是现在形形色色的动物植物的祖先了。它们就是今天的主角——微生物。提起微生物，大多数人可能会不寒而栗。因为它们引起了各种各样的疾病，不管是天花、鼠疫、艾滋病、非典，还是普通的传染病，都对人的生产生活造成巨大影响。譬如非洲猪瘟毒就引起了今年猪肉价格疯长，2003年SARS病毒的传播引发巨大的社会动荡，而中世纪黑死病的扩散导致当时欧洲约一半的人死亡。但是，微生物不是魔鬼，它们带给我们的还有很多。SARS病毒模型图认识微生物，从了解它的历史开始。酒文化是中国的传统文化之一。从古至今，多少诗人写了关于酒的脍炙人口的诗篇？“劝君更尽一杯酒，西出阳关无故人”王维用酒表达了对好友的依依惜别之意，“绿蚁新醅酒，红泥小火炉。”白居易用酒营造了温馨和睦的氛围，“浊酒一杯家万里，燕然未勒归无计。”范仲淹用酒抒发了边关将士对家乡的思念。大家知道吗？酒的酿造离不开微生物。早在北魏，贾思勰写的《齐民要术》就提出了制曲酿酒的方法。其中的“曲”指的就是微生物。根据原料的不同，人们酿出了各种不同风味的酒。如用高粱酿的白酒，用麦芽酿的啤酒，用葡萄酿的葡萄酒等等等等。不仅仅是酿酒，发面、制酱、沤肥、酿醋，甚至治病也离不开微生物。人们对微生物的探索花费了漫长的时光。以上的酿酒、发面、制酱等都是劳动人民在没有科学方法指导的情况下自行摸索出来的。这个阶段称为史前期，约8000年前到1676年都属于这个阶段。1676年发生了什么事情呢？1676年，安东尼·列文虎克发明了显微镜，把微生物研究带入了初创期。他是世界上第一个发现微生物的人，他用自制的显微镜观察到了细菌等单细胞微生物，并对这些微生物进行了形态描述。列文虎克打开了一扇门，而真正走出一条路的人，是巴斯德和科赫。他们开创了微生物学研究的奠基期。巴斯德设计的曲颈瓶实验证明了生命不是凭空出现的，他通过对酵母菌的研究拯救了法国造酒业。他还研究了狂犬病，制出了狂犬疫苗。科赫创立了平板划线细菌分离技术，这一项技术是以后微生物学发展的基石。1987年，E·毕希纳发现了酵母菌发酵可以不依赖细胞结构，微生物学进入了生化水平研究阶段。在这个阶段，科学家们发现了微生物的代谢统一性，开始寻找微生物的有益代谢产物。在这个阶段，一种重要的抗生素——青霉素被发现了，它广泛地应用于二战的战场上，拯救了无数士兵的生命。青霉青1953年，生物学界发生了一件惊天动地的大事，人类终于揭开了遗传基因的神秘面纱，DNA的双螺旋结构被建立，生物学进入了分子生物学研究阶段。在这个阶段，微生物发挥了更加显著的作用。科学家们用各种精密的仪器研入探究微生物的生命活动规律，并把它们应用于实际生产中。人们用病毒，原核生物的质粒作基因工程中的基因表达载体，用放线菌生产的各种抗生素，在人类医疗免疫的发展中发挥了重要作用，一些光合细菌还可以用于污水的净化。 微生物就在我们身边，它们默默地为我们服务，我们不应戴着有色眼镜看待它们。

其实在大自然界中存在着许多非常微型的生物，这些微型生物是人眼无法看到的，因为人们无法通过肉眼直接观测到这些微型生物，所以，在人类科技还没有达到一定阶段的时候，这些微生物虽然在自然界中存在，但是，人们却无法感知它的存在，甚至遭遇这些微生物的影响，导致人体出现各种疾病的情况下，人们也很难对这些微生物有所了解。随着研究者不断对大自然界存在的各种生命体进行研究与探索，也让一些非常微小的生物被人们所熟知，甚至当那些研究者对这些微生物进行全面深入的研究之后，在得知了这些微生物的生活习性，了解了它们对人体会造成什么样的危害的情况下，找出了许多对抗这些微生物的方法。比如会导致人体遭遇很大危害的病毒，这就是一种存在于自然界非常微型的生物，而且这种生物大都是人眼无法观测到的，也正是人眼没有办法直接观测到这些危险生物，所以，在很长的一段时间内，你根本就不知道有这种微型生物的存在。因为有了研究者对病毒从自然事物有了相应的了解，并对这种自然生物有更多的研究，才渐渐发明制造出一些可以对抗这些病毒的产品。那么，这些存在于自然界的微生物是在什么时间被人们所发现的呢？其实，发现病毒这种自然界存在的微生物的是一位非常知名的科学研究者，他就是来自于法国的巴斯德，在这个科学研究者求学的期间，因为一次非常偶然的机会，这位科学研究者从一位知名的化学家那里了解到了化学的各种情况，并从那个时候开始，他便对化学这一领域产生很大的兴趣。在化学领域研究的过程中，巴斯德不断的发现各种人类未曾发现的东西，比如，在19世纪40年代末期的时候，这位研究者在对酒石酸进行研究的过程中发现了，这种物质虽然与消旋酸的化学成分以及结构是相同的，但是这两种物质的原子空间排列顺序却是不一样的，也正是因为这样的一个发现，让这位研究者第一次提出了化学领域中的不对称理论，这一理论提出来之后，立即在整个世界化学领域都引起了很大的轰动。也正是因为这一理论的提出，为巴斯德赢得了极高的奖项。虽然已经取得了如此成就，但是巴斯德一直都在进行化学研究，他将大量的时间都投入到化学实验室的研究之中，并且在对这些化学实验现象进行研究之后，证明了乳酸杆菌这种微生物活动结果会引发变酸的现象。在进行这种为何有这种变酸现象研究的时候，巴斯德还发现只要能够将温度控制在一定的范围之内（50到60度范围内），就可以有效的杀死乳酸杆菌，并且在适宜的温度之下不会让啤酒变质，他的这一发现也成功的，创造了一种非常知名的消毒法，而且这种消毒法被世人大量的应用。在19世纪60年代中期的时候，因为欧洲地区出现了非常可怕的疾病，在面对这种疾病时，巴斯德受到政府的所托，开始对这些疾病进行研究，在对这些疾病研究的过程中，他发现了这导致这些疾病发生的原因就是一种细菌。在接下来的很多年时间里，巴斯德一直都在对这些微生物展开深入研究，而且在20世纪80年代的时候，他在研究的过程中发现了病毒的存在，当时这位研究者在收集一条疯狗的唾液时，便发现了在这种唾液中存在一种病毒，也正是因为这种病毒才导致了人们被疯狗咬过之后会出现一种非常可怕的身体问题。为了能够帮助人们有效的解决这种问题，巴斯德又进行了大量的研究，并且发明出了一种可以有效消除导致人体被疯狗咬过之后引发的问题的药品疫苗，可以说他的这一发明成功的帮助人们有效的征服了狂犬导致人体出现的恶劣问题。巴斯德在这些微生物研究领域所取得的成就是非常伟大的，也正是因为他取得的这些与伟大的成就，让其成为科学领域最受人们欢迎的科学研究者，也因此奠定了他在科学领域中的伟大成就，他也由此成为第一个发现病毒微生物存在的科学研究者。因为有了他的这一发现，也让人类在病毒引发的各种身体问题方面有了极大的研究基础。

2020年11月20日中国农业农村科技发展高峰论坛暨中国现代农业发展论坛在南京举办。论坛上发布了《2020中国农业科学重大进展》（以下简称《进展》）。《进展》共发布10项能够充分代表2019年我国农业科技前沿研究水平、取得重大突破性进展的基础科学研究成果，涵盖基因编辑技术在农业上的应用、替加环素新型耐药基因、非洲猪瘟病毒结构解析、土传病真菌和农业氮素管理等研究领域，将有力促进相关应用技术研究，进而保障我国粮食安全、生物安全、“舌尖上”安全和农业可持续发展。“解密土传病原真菌的强致病性”入选《2020中国农业科学重大进展》。该研究由中国科学院微生物研究所郭惠珊团队主导，通过生化和双遗传试验，发现了土传病原真菌分泌几丁质脱乙酰酶、消除免疫原活性，成功规避植物免疫反应，表现出强大的致病性。该研究破解了土传病原真菌逃避植物寄主免疫反应的谜团，为深入解析土传病原真菌致病机理、开展靶向防控提供了分子基础。特别介绍——郭惠珊，中国科学院微生物研究所研究员，国家杰出青年基金获得者，中国科学院特聘核心骨干。1996年获西班牙马德里大学植物分子病毒学专业博士学位。曾任新加坡国立大学分子农业生物学院和淡马锡生命科学学院研究员和执行首席科学家。2004年回国任中国科学院微生物研究所研究员。2005年获国家杰出青年基金，2015年经国务院批准享受政府特殊津贴，2015年被评为中国植物病理学会会士。任植物基因组学国家重点实验室学术委员会副主任、中国科学院微生物研究所学术委员会委员、中国植物病理学会理事、PLoS Pathogens、FEMS Microbiology Reviews、Plant Biotechnology Journal、Molecular Plant Pathology等刊物编委，生物工程学报副主编。郭惠珊长期从事病原微生物（病毒、真菌）-植物互作和植物RNA沉默（RNA干扰、RNAi）的基础理论和应用研究。在Nature、Nature Plants、EMBO J、Plant Cell、PLoS Pathogens等国际有影响的刊物上发表SCI学术论文80多篇，论文单篇被引用次数最高747次，论文总被引用次数超过4600次；申请专利12项，获得授权专利6项；近年来，郭惠珊面向国民经济主战场，对新疆农业重要支柱的经济作物-棉花-的重要病害进行研究，围绕植物RNAi、miRNA调控以及利用RNAi技术防治素有“棉花癌症”之称的棉花黄萎病开展了大量研究工作并取得了一系列高水平的具有较大科学价值的原创性成果。不仅获得了国内外同行专家的高度评价和认可，也得到了包括中央电视台在内的国内多家主流媒体的广泛关注和竞相报道；世界科学新闻发布平台EurekAlert和美国The Scientist也进行了报道和评述。