微生物組研究：關乎人類的未來

當人類第一次認識到微生物的存在時，并不知道這種個頭微小的生命體是地球生態系統的基石、關系人類健康的重要因素——它不僅將極大地幫助人類克服當今所面臨的生存挑戰，還能提供人類未來生存之道。如今，人類基因組的神秘面紗已漸漸揭開，微生物組又成為各國生命科學競爭的焦點，紛紛啟動微生物組研究計劃。科學家們呼吁，在人類基因組計劃中作為后來者和參與者的中國，應在新一輪國際大科學計劃的競爭中加快步伐，這樣才能在未來的競爭中占有一席之地。

微生物組與人體健康

1928年7月，科學家亞歷山大·弗萊明揭開了發現微生物合成抗生素的偉大時代。青霉素就是一種微生物的代謝產物。它的發現，挽救了無數人的生命，并顯著提高了人類普遍的壽命。

一種微生物拯救了成千上萬的個體生命，一群微生物能夠拯救未來人類的生存。

自微生物組概念提出以來，人們對微生物組的關注熱度不斷增加，分析梳理在各個領域取得的顯著成果發現，人們對人體健康微生物組關注最大，特別是在消化道微生物組方面，已經發現腸道微生物組與糖尿病、肝病、肥胖癥、精神疾病等具有相關性，對艱難梭菌引發痢疾的菌群移植治療方案，不僅顛覆了傳統治療方案，還進一步提出了消化道微生物組菌群平衡對身體健康具有重要影響的新理念。目前研究發現，人腸道中棲居多達1000種微生物，每個人腸道中平均有160種微生物物種，其細胞數量更是人體自身細胞數量的10倍，這些微生物與人體衰老、中草藥療效等，有著密切的關系。

《國家中長期科學和技術發展規劃綱要（2006—2020年）》指出，疾病防治重心前移，堅持預防為主、促進健康和防治疾病結合；加強中醫藥繼承和創新，以中醫藥理論傳承和發展為基礎，通過技術創新與多學科融合，豐富和發展中醫藥理論。

越來越多的研究表明，人體健康與微生物組關系密切，包括消化微生物組、呼吸道微生物組、生殖道微生物組、口腔微生物組、表皮微生物組等，微生物組是人體不可分割的一部分。人體微生物組研究成果將在慢性病的預防和控制、亞健康的調理、醫療理念的革命和新技術發展等領域，產生重大影響。

中國幅員遼闊，不同民族和地域的健康人群可能具有特征性的微生物組；傳統中醫藥是中華民族的寶藏，有研究表明傳統中藥有效組分需要腸道微生物的參與才能激活。解析健康微生物組與人體互生共利的機制、病原微生物與人體細胞和健康微生物組細胞互作的機理、中藥藥效與腸道微生物組的因果關系、發展基于微生物組的健康維護和疾病治療與預防技術等，是人體微生物組的重要研究內容，必將促進中醫藥產業的健康發展。

微生物組與食品安全

糧食生產安全和農作物品質提升對我國農業發展提出了更高的科技需求，與農作物相依相生的微生物組是影響作物生長、產量和品質的重要因素，也是目前生命科學研究的前沿。

農作物微生物組重點關注四大口糧和七大經濟作物的增產抗病和品質提升，服務“增效減施”。結合根際微生物組、作物表皮（葉面）微生物組、內共生微生物組等，研究微生物組對作物（水稻、棉花、小麥、大豆、土豆、蔬菜、中草藥植物）重要農藝和藥效性狀，包括抗病性、抗逆性、產量、品質等生理活動的影響與調控機制，分析重要生物化合物（如激素、揮發性化合物等）在微生物組與作物相互作用之間的調控功能；研究微生物組對作物連作障礙的影響和克服手段；對影響作物產品采后品質的微生物組進行研究，分析復合感染和控制復合感染的分子機制。在上述研究的基礎上，發展能夠控制土壤重要性狀參數、作物抗病、抗逆、生長和品質，以及克服連作障礙，改良土壤質量的微生物組應用技術，為我國在作物生產過程中減少化肥、農藥等的使用，提高我國農產品的產量和品質做出重要貢獻。

家養動物是我國農業生產的重要組成部分，建立適合開展家養動物胃腸道微生物組研究的技術體系，系統深入揭示家養動物（豬、奶牛、禽類等）品種（遺傳型）、飼養管理對胃腸道微生物組成和代謝的影響及途徑，研究胃腸道微生物與宿主的互作機制，研發能夠提高飼料資源轉化利用效率和生產性能、增強胃腸道功能與宿主健康、提升養殖環境質量、改善產品（肉、蛋等）品質的微生物學應用技術，顯著降低或者消除抗生素使用量促進生態養殖，整體提升我國畜禽養殖科技水平，顯著提高我國畜禽養殖效益、保障畜禽產品安全、改善生態環境、促進人類健康。

微生物組與生態環境

微生物之間能夠互相協作，使得它們在生態系統中更加穩定、更加有效發揮作用，并賦予微生物組（群）具有超越單個微生物的更為強大的功能。多環芳香烴是環境中重要的一類污染物，目前已經發現了能夠降解多環芳香烴類化合物的微生物，一種微生物單獨培養，可以降解多環芳香烴，但如果多個微生物在一起，其污染物的降解效率和微生物系統的穩定和適應能力都大大提高。

《國家中長期科學和技術發展規劃綱要（2006—2020年）》列舉了綜合治污與廢棄物資源化、脆弱生態系統功能恢復重建、海洋生態與環境保護等發展主題。最近，國家公布了“水十條”“大氣十條”“土十條”等一系列建設生態文明的舉措。微生物是環境治理和修復的主力軍，也是維護生態系統功能的基礎。研究維持微生物組結構與功能的基礎、微生物群體互作及對污染物降解和消除的影響機制、微生物組與環境因子互動的管控、環境微生物菌劑研制及應用等，服務黑臭水體治理、城市污水凈化、污染土壤修復、廢棄物綜合利用等，是環境微生物組研究的重要內容。

基于微生物組的理念揭示海洋微生物的代謝過程、信號傳導聯通和代謝產物形成機制，發展海洋微生物合成生物學技術，釋放典型海洋生態系統微生物組蘊藏的特殊代謝途徑，指導發現代謝產物、酶、能源等活性物質，發現海洋微生物藥物先導化合物。獲得能有效去除重金屬或塑料污染的海洋微生物，發現參與不同重金屬和塑料去除或降解的重要基因（簇），構建能有效脫除各種常見重金屬污染和塑料污染的工程菌，初步確立相應生物制品的工藝流程。

微生物作為地球上分布最為廣泛、生物量最大、生物多樣性最為豐富的生命形式，蘊藏著極為豐富的物種資源和基因資源，影響整個地球生態系統。全面系統地解析微生物組的結構和功能，搞清相關的調控機制，將為解決人類社會面臨的健康、食品和環境等重大系統問題帶來革命性的新思路，提供不同尋常的解決方案。