在地球生態系統和人類健康中，微生物組的作用超乎想像，加強基礎研究與應用相結合，推進技術創新和産業升級，將創造未來新的經濟增長點
我們認知的微生物不到1%
微生物對我們而言並不陌生。我們的祖先發明瞭釀造工藝，就是利用微生物的發酵功能，讓我們的生活充滿味道和更加豐富多彩。醬香醋滋潤，酒醇豆腐香，都是微生物作用的結果。從傳統釀造工藝到現代微生物發酵技術，我們自以為已經對微生物了解很多，比如我們知道了微生物是如何把糖變成了酒，又轉化為醋。我們自以為還能夠掌控微生物，比如我們能夠操控和改造一些微生物産生特殊的代謝産物，提高其産量或者抑制其合成，為人類服務：例如，包括盤尼西林在內的、拯救了無數人生命的抗生素，通過改造生産菌種，使産量得到了成千上萬倍的提高，惠及眾生。
但事實上，我們對微生物了解很少，我們甚至不知道在我們周圍有什麼樣的微生物。從花園裏抓一撮土，有幾千種微生物；地球上的微生物細胞，遠比天上的星星多得多；我們目前認知的微生物，不到1%；生活在我們腸道中的微生物細胞，是人體細胞的10倍！這些微生物的基因組之和，是人類基因組的100倍！微生物影響著並超越我們的生老病死：有一天，人死了，微生物卻能永恒生存。除了近年來少量的有關糖尿病等與腸道微生物的關係外，我們完全不清楚腸道微生物（還有呼吸道微生物、體表微生物等）在人體內做了什麼，它們的喜怒哀愁與我們的生老病死是什麼關係。
微生物組是指一個生態系統中全部微生物資源及生命資訊，包括他們與其環境中生物和非生物因子之間的關係。早在1975年，科學家就用類似的概念來探討白蟻腸道的微生物區係，但由於受當時的研究技術手段和對微生物認知的限制，沒有形成重大的科學計劃。2005年以來，世界許多國家先後不同程度上啟動了微生物組計劃或項目，如美國的人體微生物組計劃和地球微生物組計劃，加拿大的微生物組研究項目以及日本的人體元基因組研究項目等。2015年10月，美國一批科學家聯合在《科學》雜誌上發文，呼籲“聯合微生物組研究計劃”；與此同時，我國科學家會同美、德科學家，在《自然》上發文提出了實施“國際微生物組計劃”的呼籲。美國日前宣佈啟動新的“國家微生物組計劃”，引發了新一輪微生物研究和開發的熱潮。
微生物組世界1+1>2
為什麼微生物組能夠引起國際上如此巨大反響和關注？1928年7月，科學家亞歷山大—弗萊明正在凝視培養皿裏的微生物菌落：一種菌落（青黴菌）抑制了另一種菌落（金黃色葡萄球菌）的生長，從此揭開了發現微生物合成抗生素的偉大時代。盤尼西林的發現，改變了第二次世界大戰的進程，挽救了無數人的生命，並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。
地球上的微生物物種粗略估計在百萬數量級之上，目前發現和描述的只有數萬種，絕大多數微生物物種及其功能還有待挖掘和認知。微生物生活在海洋和陸地的每一寸空間，組成海洋微生物組和陸地微生物組，參與物質元素的生物地球化學迴圈，影響全球氣候變化；微生物與農作物（根際、葉表、植物體內）在一起，構成農作物微生物組，影響作物營養吸收、病害發生和作物産量；微生物降解污染物，消除黑臭，保障污水處理廠高效運作，凈化水體；微生物還是污染土壤生物修復的主力軍，農藥、化工污染物、除草劑等主要是通過微生物降解作用得到消除，環境微生物組將為實施生態文明建設、提高環境品質的國家目標，提供資源和技術的保障。
微生物組在地球生態系統和人類健康中的作用超乎想像，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，這其中有一個道理，就是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，並賦予微生物組（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。
我國傳統發酵工藝多利用混合微生物菌群，例如年産值超過5000多億元的制酒行業，在長達數百年的歷史過程中有益微生物群被不斷富集，逐漸形成各種風格的白酒釀造技藝。儘管科學上還沒有準確的解釋，但業界共識是，不同微生物群落之間的相互作用是産生不同風格白酒的重要基礎，釀酒微生物場所提供了多種多樣的微生物資源，可以從中發掘高效纖維素降解黴菌、高乙醇合成酵母、高效一碳化合物固定細菌等。作為新興産業的生物農藥和生物肥料，近年來正在蓬勃發展，從生物農藥近10年國際上的發展情況來看，市場份額由2000年0.2%增長到2009年的3.7%，2010年全球生物農藥的産值超過20億美元，市場佔有率達到4%左右。深入解剖土壤和農作物微生物組，可以有效促進傳統發酵行業和新興生物産業的健康發展。
抓住彎道超車的機遇
截至2016年，有資料可查的國際上微生物組研究項目有13項與人類健康相關，其中8項正在實施，5項已經完成。美國、加拿大、愛爾蘭和法國是這些項目的主要參與國家，其中至少有2項由美國獨立開展，最早的一項人類微生物組計劃（HMP）也是美國開展的。中國積極參與了人類腸道宏基因組計劃（MetaHIT）和國際微生物組聯盟（IHMC）計劃這兩項計劃。
除了上述13個與人類健康直接相關的人體微生物組研究項目之外，國際上還啟動了9個環境微生物組研究計劃。這些環境微生物組研究計劃中包括海洋微生物組、土壤微生物組和地球微生物組（EMP）。其中EMP計劃旨在全方位分析地球上全部微生物群落的多樣性及功能，該項目將對全球典型的環境樣本包括土壤、海洋、空氣、淡水生態系統等的微生物群落進行宏基因組測序，中國參與了EMP計劃。中國科學家和有關機構曾獨立推進和啟動了與微生物組內容相關的研究計劃。早在本世紀初，中國科學院微生物所有關專家就開始推動“微生物地球”研究計劃；2014年，中國科學院組織並啟動了土壤微生物相關的先導專項研究計劃，目前，國家自然科學基金委“水圈微生物”研究計劃正在論證之中。中國科學家已經在人體微生物組和釀造微生物組等方面，取得了很好的成績。抓住機遇，做好組織，在未來新一輪微生物科技發展中，中國完全有可能發揮國際主導作用。
從微生物組的提出和國際科技競爭態勢看，微生物組研究呈現四大趨勢：應用導向更加明確，範圍更加廣泛，由先前的微生物資源調查和側重人體微生物組正在向綜合考慮健康、農業、生態環境等方向轉變；更加注重技術發展和學科交叉匯聚；更加需要項目組織機制的創新；對大科學計劃和全球化合作的重要性更加明顯，為世界各國從科技和政治角度參與國際事務併發揮各自獨特作用，提供了一個無限的舞臺。
在當前的國際形勢和國家需求下，啟動我國獨立自主的微生物組研究計劃已經勢在必行。如何立足我國的國情和研究基礎，實現基礎研究和應用研究有機結合，服務技術創新和産業升級聯動發展，是我國進行微生物組計劃組織和佈局的重要選擇依據。基於此，對發展我國微生物組有以下三點建議：
一、以我國在微生物資源的收集和保藏的優勢、在研究和開發方面的良好基礎，組織全國專家，進行戰略研究，規劃微生物組研發路線圖，明確從微生物組研究入手，解決我國面臨的人類健康、環境保護和農業可持續發展等重大挑戰的技術途徑，開展以應用為導向的微生物組資源和技術開發。
二、以人體腸道、四大口糧作物、污染水體和土壤治理、傳統發酵等為核心對象，快速部署人體微生物組、農作物微生物組、環境微生物組和傳統發酵微生物組的研究，加強基礎和應用基礎研究、技術創新和産業發展的全鏈條佈局；依靠我國在微生物資源的研究、測序技術、微生物數據綜合分析能力等方面的優勢，啟動涵蓋人體、農業、環境、傳統發酵、新技術等內容的“中國微生物組”計劃。
三、建立國家微生物組數據中心，實現大數據整合與應用：數據資源是微生物組研究的關鍵，建議在微生物組計劃設計之初，就設計好完善的數據整合和共用機制，建立國家微生物組數據中心，實現數據資源的有效整合和深度挖掘。
微生物在地球上無處不在，從滾燙的熱泉到800米冰層以下的南極暗湖，都存在著大量的微生物。微生物作為地球上分佈最為廣泛、生物量最大、生物多樣性最為豐富的生命形式，推動地球化學物質迴圈，影響人類健康乃至地球的整個生態系統，且蘊藏著極為豐富的物種資源和基因資源。我們期待著微生物組能夠打開未知微生物世界的大門，為應對當今人類面臨的巨大挑戰，如人類健康、環境保護、農業可持續發展等，以及解決深空探索和外星移民等未來人類生存空間問題，提供重要的解決方案。（作者為中國科學院微生物研究所所長 劉雙江）
(責任編輯：羅伯特)
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