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刘双江纪海丽:微生物组研究:关乎人类的未来

2018-03-23     来源:中国科学院

  当人类第一次认识到微生物的存在时,并不知道这种个头微小的生命体是地球生态系统的基石、关系人类健康的重要因素——它不仅将极大地帮助人类克服当今所面临的生存挑战,还能提供人类未来生存之道。如今,人类基因组的神秘面纱已渐渐揭开,微生物组又成为各国生命科学竞争的焦点,纷纷启动微生物组研究计划。科学家们呼吁,在人类基因组计划中作为后来者和参与者的中国,应在新一轮国际大科学计划的竞争中加快步伐,这样才能在未来的竞争中占有一席之地。

  微生物组与人体健康

  1928年7月,科学家亚历山大·弗莱明揭开了发现微生物合成抗生素的伟大时代。青霉素就是一种微生物的代谢产物。它的发现,挽救了无数人的生命,并显著提高了人类普遍的寿命。

  一种微生物拯救了成千上万的个体生命,一群微生物能够拯救未来人类的生存。

  自微生物组概念提出以来,人们对微生物组的关注热度不断增加,分析梳理在各个领域取得的显著成果发现,人们对人体健康微生物组关注最大,特别是在消化道微生物组方面,已经发现肠道微生物组与糖尿病、肝病、肥胖症、精神疾病等具有相关性,对艰难梭菌引发痢疾的菌群移植治疗方案,不仅颠覆了传统治疗方案,还进一步提出了消化道微生物组菌群平衡对身体健康具有重要影响的新理念。目前研究发现,人肠道中栖居多达1000种微生物,每个人肠道中平均有160种微生物物种,其细胞数量更是人体自身细胞数量的10倍,这些微生物与人体衰老、中草药疗效等,有着密切的关系。

  《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006—2020年)》指出,疾病防治重心前移,坚持预防为主、促进健康和防治疾病结合;加强中医药继承和创新,以中医药理论传承和发展为基础,通过技术创新与多学科融合,丰富和发展中医药理论。

  越来越多的研究表明,人体健康与微生物组关系密切,包括消化微生物组、呼吸道微生物组、生殖道微生物组、口腔微生物组、表皮微生物组等,微生物组是人体不可分割的一部分。人体微生物组研究成果将在慢性病的预防和控制、亚健康的调理、医疗理念的革命和新技术发展等领域,产生重大影响。

  中国幅员辽阔,不同民族和地域的健康人群可能具有特征性的微生物组;传统中医药是中华民族的宝藏,有研究表明传统中药有效组分需要肠道微生物的参与才能激活。解析健康微生物组与人体互生共利的机制、病原微生物与人体细胞和健康微生物组细胞互作的机理、中药药效与肠道微生物组的因果关系、发展基于微生物组的健康维护和疾病治疗与预防技术等,是人体微生物组的重要研究内容,必将促进中医药产业的健康发展。

  微生物组与食品安全

  粮食生产安全和农作物品质提升对我国农业发展提出了更高的科技需求,与农作物相依相生的微生物组是影响作物生长、产量和品质的重要因素,也是目前生命科学研究的前沿。

  农作物微生物组重点关注四大口粮和七大经济作物的增产抗病和品质提升,服务“增效减施”。结合根际微生物组、作物表皮(叶面)微生物组、内共生微生物组等,研究微生物组对作物(水稻、棉花、小麦、大豆、土豆、蔬菜、中草药植物)重要农艺和药效性状,包括抗病性、抗逆性、产量、品质等生理活动的影响与调控机制,分析重要生物化合物(如激素、挥发性化合物等)在微生物组与作物相互作用之间的调控功能;研究微生物组对作物连作障碍的影响和克服手段;对影响作物产品采后品质的微生物组进行研究,分析复合感染和控制复合感染的分子机制。在上述研究的基础上,发展能够控制土壤重要性状参数、作物抗病、抗逆、生长和品质,以及克服连作障碍,改良土壤质量的微生物组应用技术,为我国在作物生产过程中减少化肥、农药等的使用,提高我国农产品的产量和品质做出重要贡献。

  家养动物是我国农业生产的重要组成部分,建立适合开展家养动物胃肠道微生物组研究的技术体系,系统深入揭示家养动物(猪、奶牛、禽类等)品种(遗传型)、饲养管理对胃肠道微生物组成和代谢的影响及途径,研究胃肠道微生物与宿主的互作机制,研发能够提高饲料资源转化利用效率和生产性能、增强胃肠道功能与宿主健康、提升养殖环境质量、改善产品(肉、蛋等)品质的微生物学应用技术,显著降低或者消除抗生素使用量促进生态养殖,整体提升我国畜禽养殖科技水平,显著提高我国畜禽养殖效益、保障畜禽产品安全、改善生态环境、促进人类健康。

  微生物组与生态环境

  微生物之间能够互相协作,使得它们在生态系统中更加稳定、更加有效发挥作用,并赋予微生物组(群)具有超越单个微生物的更为强大的功能。多环芳香烃是环境中重要的一类污染物,目前已经发现了能够降解多环芳香烃类化合物的微生物,一种微生物单独培养,可以降解多环芳香烃,但如果多个微生物在一起,其污染物的降解效率和微生物系统的稳定和适应能力都大大提高。

  《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006—2020年)》列举了综合治污与废弃物资源化、脆弱生态系统功能恢复重建、海洋生态与环境保护等发展主题。最近,国家公布了“水十条”“大气十条”“土十条”等一系列建设生态文明的举措。微生物是环境治理和修复的主力军,也是维护生态系统功能的基础。研究维持微生物组结构与功能的基础、微生物群体互作及对污染物降解和消除的影响机制、微生物组与环境因子互动的管控、环境微生物菌剂研制及应用等,服务黑臭水体治理、城市污水净化、污染土壤修复、废弃物综合利用等,是环境微生物组研究的重要内容。

  基于微生物组的理念揭示海洋微生物的代谢过程、信号传导联通和代谢产物形成机制,发展海洋微生物合成生物学技术,释放典型海洋生态系统微生物组蕴藏的特殊代谢途径,指导发现代谢产物、酶、能源等活性物质,发现海洋微生物药物先导化合物。获得能有效去除重金属或塑料污染的海洋微生物,发现参与不同重金属和塑料去除或降解的重要基因(簇),构建能有效脱除各种常见重金属污染和塑料污染的工程菌,初步确立相应生物制品的工艺流程。

  微生物作为地球上分布最为广泛、生物量最大、生物多样性最为丰富的生命形式,蕴藏着极为丰富的物种资源和基因资源,影响整个地球生态系统。全面系统地解析微生物组的结构和功能,搞清相关的调控机制,将为解决人类社会面临的健康、食品和环境等重大系统问题带来革命性的新思路,提供不同寻常的解决方案。

  (作者:刘双江 纪海丽,刘双江系中国科学院微生物研究所所长)

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