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朱永官:地球“微生物暗物质”——中国土壤微生物组的现在与未来
文章来源:中国科学院院刊     发布时间:2017-07-21

  微生物是地球最早出现的生命形式,这种简单而古老的生命决定了地球演化的方向和进程,推动了土壤的发生和发育,孕育了人类的文明。事实上,土壤中蕴藏的巨大微生物多样性,被称为地球关键元素循环过程的引擎,是联系大气圈、水圈、岩石圈及生物圈物质与能量交换的重要纽带,维系着人类和地球生态系统的可持续发展。

  地球“微生物暗物质”

  近30年来,随着各种先进物理化学手段的出现,特别是高通量测序技术的指数式发展,土壤微生物学成为地球科学与生命科学的新兴学科增长点和交叉前沿,蕴藏于土壤中的巨大微生物多样性被认为是地球元素循环的引擎,而每克土壤中数以亿万计的微生物中,高达99%的物种及其功能尚属未知,因此被称为地球“微生物暗物质”。

  这些海量的微生物与复杂的土壤环境总称为土壤微生物组(Soil Microbiome),是工农业生产、医药卫生和环境保护等领域的核心资源之一,已经成为新一轮科技革命的战略高地,得到了世界各国政府的高度重视。

  土壤微生物

  范围

  土壤中所有微生物及其栖息环境的总称

  核心研究内容

  特定土壤中微生物群落的协同演化规律及其环境功能

  土壤微生物组的功能

  1 土壤微生物组是地球上最重要的分解者,具有多重生态与环境功能。首先,微生物是土壤-植物系统中生源要素迁移转化的引擎,土壤中有机质的分解与积累,氮素转化(包括生物固氮)等过程无不与微生物的活动密切相关。这也是传统土壤微生物学研究的重点,这些研究主要围绕元素转化速率、养分利用率、与相关土壤酶活性及功能基因的关系等进行。

  2 土壤微生物组是地球污染物消纳的净化器,通过生物转化深刻影响土壤中污染物赋存的形态和归宿,是土壤具有消纳污染物功能的关键。对于有机污染物而言,通过微生物的代谢和共代谢过程,污染物得以转化或彻底分解矿化。

  3 土壤微生物组是全球变化的调节器,通过影响元素生物地球化学过程,在很大程度上影响温室气体排放与消纳,土壤微生物组可能能够促进地球增温,如驱动生态系统温室气体排放,包括甲烷和氮氧化物。土壤微生物组也是氮氧化物排放的重要来源。

  4 土壤微生物组是维系陆地生态系统地上-地下相互作用的纽带。土壤微生物组是陆地生态系统植物多样性和生产力的重要驱动者,直接参与了植物获得养分和土壤养分循环两个过程。

  5 土壤微生物组是活性物质的资源库,与人类健康息息相关。土壤微生物组中的有益生物可抑制人类和动植物致病菌增殖和传播,而土地利用方式的变化可通过改变土壤微生物多样性来影响人类健康。土壤微生物是重要的次生代谢产物(如药物)的资源库,多数天然抗生素来自于土壤微生物。

  近年来,天然结构抗生素的发现进入瓶颈期,随着微生物培养技术、宏基因组学及高通量筛选方法的发展,人们再次将目光聚焦于从天然产物中发现新型抗生素。

  1946年美国科学家赛尔曼·瓦克斯曼从土壤链霉菌中发现了链霉素,并获得了1952年诺贝尔奖。

  20世纪70年代中期,美国科学家威廉·坎贝尔和日本科学家大村智发现了阿维菌素这一高效抗寄生虫药,并获得了2015年诺贝尔奖。

  国际研究发展趋势

  英国

  1997年,英国启动了“土壤生物多样性研究计划”,组织120余位科学家参与并设置了30个研究项目,采用分子技术研究土壤生物多样性及其功能,特别是发展了稳定性同位素示踪复杂环境中生物标记物(PLFA/DNA/ RNA)技术(Stable Isotope Probe),培养造就了一批迄今活跃在国际土壤生物学前沿的著名科学家,土壤生物多样性的重要性逐渐引起国际社会的关注。 

  中国

  我国科技主管部门长期以来高度重视土壤微生物相关研究。国家自然科学基金委2011年启动了相关重大项目,针对稻田土壤关键生物地球化学过程与环境功能,开展了土壤微生物生态学机理研究。2014年科技部启动了“973”基础性研究项目“作物高产高效的土壤微生物区系特征及其调控”。同年,中科院启动了“土壤-微生物系统功能及其调控”战略性先导科技专项,开展土壤微生物组研究。同时期,中科院和国家自然科学基金委也启动了“土壤生物学”学科发展战略研究项目。

  美国

  2016年5月13日,美国总统科学技术政策办公室与相关政府机构和私人基金会共同颁布了一项新的国家计划——国家微生物组计划(National Microbiome Initiative)。这成为奥巴马政府在脑科学计划、精准医学计划和抗癌症计划后的又一个重大国家战略行动,代表着促进科技创新和经济增长的一个新领域。

  该计划的目标是研究不同环境中微生物组的功能及其利用前景,涵括人体、土壤、海洋、大气等环境中的全部微生物个体及其功能,为解决21世纪人类面临的农业、能源、环境、海洋和气候等重大问题提供新的思路和途径。该计划首次把微生物研究提高到国家战略地位,表明微生物组研究已经成为新一轮国际科技革命的战略高地。

  前沿科学问题

  国际土壤微生物组学面临的前沿科学问题可概括为4个主题:

  1 土壤微生物多样性形成与维持机制

  土壤微生物多样性的理论与认知

  土壤微生物多样性的起源与演化

  土壤微生物多样性的共存机制

  2 土壤元素循环的微生物驱动机制

  土壤关键元素循环的微生物作用机理

  土壤关键过程的微生物生理驱动机制

  土壤微生物组功能变异的环境驱动机制

  3 土壤微生物组的资源与环境功能

  土壤微生物组的资源潜力

  土壤微生物组介导的地上-地下耦联机制

  土壤微生物介导的食物网络结构及功能

  4 土壤微生物组的新技术及应用

  土壤微生物组学技术

  土壤微生物组原位表征技术

  土壤微生物组资源调控技术

  未来研究战略目标

  土壤微生物组的研究依赖于跨学科交叉的理念和先进技术的支撑。未来(2025年前后)我国土壤微生物组的战略目标主要有:

  绘制主要生态系统土壤微生物资源图,建立国际一流的环境格局-土壤微生物组整合分析数据库和平台;

  研究土壤微生物组的形成与演化、关键物质与能量循环的微生物机制、土壤微生物组资源发掘与定向调控,突破地球科学和生命科学交叉前沿的重大问题,为解决21世纪我国面临的农业、能源、医疗和工业相关的重大问题提供支撑。

  土壤微生物组服务于人类生产生活和经济社会发展是其永恒不变的主题。土壤微生物组的研究已经超越了单一微生物、单一土壤要素、单一微观过程的传统理念,而是将微生物群落及其栖息环境的相互作用作为一个整体,从地球科学的宏观角度调控土壤过程的农业和生态环境功能,从分子生物学的微观尺度发掘海量微生物资源在医疗健康、工业生产等方面的巨大潜力。

  因此,功能研究是新形势下土壤微生物组能力建设的核心,其主要技术路径和能力建设包括以下6方面:

  土壤微生物组与医疗健康

  土壤微生物组与农业生产

  土壤微生物组与环境保护

  土壤微生物组与全球变化

  土壤微生物组与跨学科研究

  土壤微生物组与联网平台

  土壤、水、大气被认为是人类生存与发展的核心资源。然而,传统的土壤微生物组研究主要服务农业生产,随着社会经济的快速发展,特别是近30年来,学术界对土壤微生物组的理论认知发生了翻天覆地的变化,其应用前景得到了各国政府的高度重视,成为新一轮科技革命的战略制高点之一。目前,国际土壤微生物组的多样性、描述性研究已臻成熟,相关研究面临着从数量向质量转变的历史机遇和挑战。

  (朱永官,中科院城市环境所所长,研究员)

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