洪恒飛 本報(bào)記者 江 耘

　　地球上大約有一千億到一萬(wàn)億種微生物。這一包含細(xì)菌、病毒、真菌以及小型原生動(dòng)物等在內(nèi)的生物群體，在亞馬遜叢林、火山噴發(fā)口，或是大西洋海底甚至人類腸道均有分布，要全面鑒定這些微生物極具挑戰(zhàn)性。

　　不久前，浙江大學(xué)徐建明教授團(tuán)隊(duì)在《微生物組》雜志上發(fā)表論文稱，他們利用地球微生物組計(jì)劃開源大數(shù)據(jù)，構(gòu)建了全球微生物共存網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)對(duì)其“社會(huì)關(guān)系”的分析，首次揭示了地球多種環(huán)境中微生物組間的互聯(lián)模式。通過(guò)分解有機(jī)質(zhì)使土壤更加肥沃，抑制并排斥過(guò)路菌群的入侵和群集，調(diào)節(jié)人體與微生物之間的平衡……徐建明表示，微生物的功能不止于此，它還影響著溫室氣體排放、綠色生產(chǎn)等。而地球微生物組計(jì)劃就是為摸清不同環(huán)境下高度復(fù)雜的微生物群落組成和功能的相互關(guān)聯(lián)。

　　測(cè)序技術(shù)助力探索微生物“暗物質(zhì)”

　　2010年，美國(guó)阿貢實(shí)驗(yàn)室的杰克·吉爾伯特（Jack Gilbert）教授啟動(dòng)了地球微生物組計(jì)劃，即收集全球微生物組的開源大數(shù)據(jù)項(xiàng)目，其最終目標(biāo)是鑒定世界各地的20萬(wàn)個(gè)微生物樣本，以生成一份詳細(xì)的目錄。

　　地球微生物組計(jì)劃的第一階段是基于擴(kuò)增子測(cè)序分析微生物群落組成，相關(guān)成果已于2017年在《自然》雜志發(fā)表。國(guó)外研究人員按照由采樣到數(shù)據(jù)分析的各個(gè)流程的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，建立了包含27751個(gè)高質(zhì)量細(xì)菌和古菌群落的數(shù)據(jù)庫(kù)，并利用這些樣本，鑒定出大約30萬(wàn)條獨(dú)特的微生物16S rRNA序列，其中絕大多數(shù)無(wú)法在原有數(shù)據(jù)庫(kù)中找到。

　　“這項(xiàng)工作體現(xiàn)了全球生物界的通力合作，為深入研究未知環(huán)境的微生物組構(gòu)成提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和參考依據(jù)?！毙旖鹘榻B說(shuō)。

　　近年來(lái)，基因測(cè)序領(lǐng)域取得了一系列新進(jìn)展。但由于缺乏標(biāo)準(zhǔn)化的分析方法，常用分析框架又存在諸多缺陷，使微生物組的研究受到了一定限制，進(jìn)而制約了人們對(duì)環(huán)境微生物基本結(jié)構(gòu)的認(rèn)知與發(fā)展。

　　徐建明告訴科技日?qǐng)?bào)記者，地球微生物組計(jì)劃是要建立一個(gè)不斷更新的開源數(shù)據(jù)庫(kù)，因此其第一階段工作并未結(jié)束。與此同時(shí)，隨著當(dāng)前宏基因組技術(shù)的飛速發(fā)展，地球微生物組計(jì)劃第二階段也已開始，即建立環(huán)境宏基因組分析的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)流程，構(gòu)建地球宏基因組參考數(shù)據(jù)。

　　據(jù)介紹，宏基因組即生物環(huán)境中全部微生物遺傳物質(zhì)的總和，包含可培養(yǎng)的和不可培養(yǎng)的微生物的基因，目前主要指環(huán)境樣品中的細(xì)菌和真菌的基因組總和。為更好認(rèn)識(shí)微生物的特性，以往科研人員常在微觀尺度挖掘其具體特性，但有時(shí)如同盲人摸象，只能看到局部。

　　“微生物之間的復(fù)雜關(guān)系對(duì)微生物群落功能有重要影響，然而環(huán)境中絕大部分微生物類群都未被成功培養(yǎng)，我們對(duì)這些未培養(yǎng)的微生物‘暗物質(zhì)’的具體功能特征尚不清楚?！毙旖鞅硎?，高通量測(cè)序技術(shù)為團(tuán)隊(duì)探索微生物“暗物質(zhì)”提供了有效方法，而微生物生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析則為了解微生物之間的“社會(huì)關(guān)系”網(wǎng)絡(luò)提供了可行手段。

　　篩選出微生物間“社會(huì)關(guān)系”

　　大魚吃小魚、小魚吃蝦米、蝦米吃浮游……物種間的食物網(wǎng)根據(jù)捕食和被捕食關(guān)系呈現(xiàn)了生物之間的相互作用。類似地，在微生物群落中，不同微生物間也存在著共生、寄生、捕食和競(jìng)爭(zhēng)等相互作用形式。

　　徐建明說(shuō)，厘清不同生態(tài)系統(tǒng)中微生物的復(fù)雜交互作用關(guān)系，具有兩大挑戰(zhàn)。一是超過(guò)95%的微生物無(wú)法人工培養(yǎng)，進(jìn)而無(wú)法通過(guò)實(shí)驗(yàn)一一甄別；二是上萬(wàn)種微生物之間存在幾億對(duì)相互關(guān)系，面對(duì)這樣的海量數(shù)據(jù)根本無(wú)法通過(guò)傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)開展研究。

　　“地球微生物組計(jì)劃建立統(tǒng)一采樣、測(cè)序、分析的全球最大標(biāo)準(zhǔn)化環(huán)境微生物組數(shù)據(jù)庫(kù)，為中外科學(xué)家研究提供了豐富的數(shù)據(jù)資源?！毙旖鞅硎荆瑘F(tuán)隊(duì)科研人員通過(guò)構(gòu)建微生物生態(tài)網(wǎng)絡(luò)算法建立了一個(gè)“篩子”，篩選出微生物之間的交互作用后，又用大數(shù)據(jù)找到微生物之間的作用規(guī)律，并通過(guò)這種規(guī)律構(gòu)建起一套統(tǒng)計(jì)模型繼續(xù)篩選。

　　由此，徐建明團(tuán)隊(duì)通過(guò)綜合分析全球多種生存環(huán)境（土壤、植物、動(dòng)物、水體等）中的微生物組數(shù)據(jù)，分八大模塊構(gòu)建了全球微生物共存網(wǎng)絡(luò)。乍看之下，整個(gè)共存網(wǎng)絡(luò)圖就像分子結(jié)構(gòu)模型，不同的是，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部各模塊之間縱橫交織、連接更為復(fù)雜。

　　“由于環(huán)境中絕大部分微生物類群都是未培養(yǎng)類群，因此我們的研究是從復(fù)雜系統(tǒng)的角度整體分析共存網(wǎng)絡(luò)本身的拓?fù)涮卣?，而不是?duì)具體微生物類群進(jìn)行分析?！毙旖髡f(shuō)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)，我們對(duì)微生物的關(guān)系能夠看得更清，為進(jìn)一步理解它們的運(yùn)行機(jī)制提供了前提。

　　此外，隨著同一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)微生物關(guān)系的明確，科研人員可進(jìn)一步研究跨界的互聯(lián)表征。他們發(fā)現(xiàn)兩種環(huán)境中相同的微生物關(guān)系越多，二者在關(guān)系網(wǎng)絡(luò)中的連接線越粗。這反映出不同生態(tài)系統(tǒng)之間，微生物的關(guān)系與交往情況。

　　找出調(diào)控微生物群落功能的關(guān)鍵因子

　　“這項(xiàng)研究促使我們從系統(tǒng)角度認(rèn)識(shí)事物，加深了對(duì)地球微生物重要性和多樣性的認(rèn)識(shí)?！毙旖鹘榻B道，整體社會(huì)關(guān)系網(wǎng)絡(luò)的相似性，反映潛在交流的強(qiáng)度。土壤和淡水的關(guān)系，比土壤和咸水的關(guān)系要大，這很大程度上在于水的循環(huán)作用和影響程度。

　　“通過(guò)本次研究，我們還發(fā)現(xiàn)，人類作為活動(dòng)范圍最大的動(dòng)物，人類皮膚微生物組可能對(duì)地球微生物遷移具有非常重要的作用。”徐建明說(shuō)，地球微生物組中不同環(huán)境中的微生物組都有緊密聯(lián)系，并可依據(jù)關(guān)聯(lián)特征劃分為不同的子網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)子網(wǎng)絡(luò)間的相似性，可進(jìn)一步將子網(wǎng)絡(luò)分組。值得注意的是，土壤微生物組與動(dòng)物表面、動(dòng)物腸道和淡水微生物組有密切關(guān)系，而植物、動(dòng)物體表的微生物是連接兩組子網(wǎng)絡(luò)的橋梁。

　　論文第一作者、浙江大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院馬斌研究員說(shuō)，所有的微生物是相互關(guān)聯(lián)的，不能割裂開來(lái)理解。例如腸道微生物組，不能因?yàn)樗鼈冊(cè)谌梭w內(nèi)活動(dòng)，就忽略了體外環(huán)境對(duì)其的影響?！叭绻皇菑奈⑸锶郝浣M成的角度進(jìn)行研究，有時(shí)候常常不能真正認(rèn)識(shí)微生物組運(yùn)行的內(nèi)在機(jī)制?！?/p>

　　微生物群落是典型的復(fù)雜系統(tǒng)，具有非線性特征，因此很難對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確控制?？蒲腥藛T要實(shí)現(xiàn)微生物群落功能的定向調(diào)控，需要通過(guò)找出關(guān)鍵控制因子，使微生物群落發(fā)揮出符合預(yù)期的功能。

　　“下一步，我們將利用地球微生物組計(jì)劃第二階段的地球宏基因組數(shù)據(jù)集，開展地球微生物群落功能基因網(wǎng)絡(luò)分析，進(jìn)一步解析地球微生物組的功能特征及其潛在調(diào)控機(jī)制，為實(shí)現(xiàn)微生物群落功能的定向調(diào)控提供參考依據(jù)。”徐建明表示，運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)分析找出關(guān)鍵控制節(jié)點(diǎn)后，通過(guò)大數(shù)據(jù)建立關(guān)鍵控制節(jié)點(diǎn)和預(yù)期功能目標(biāo)之間的關(guān)系模型，從而調(diào)節(jié)關(guān)鍵控制節(jié)點(diǎn)參數(shù)值，實(shí)現(xiàn)對(duì)預(yù)期功能目標(biāo)的定向調(diào)控。

（《科技日?qǐng)?bào)》2020年6月30日第 7  版。）