微生物组

Microbiome - Wikipedia

概念解析

微生物组（microbiome）源自希腊语"小生命"，指代特定生境中微生物群系及其活动构成的复合系统。其概念最早由Whipps等人于1988年提出，2020年国际专家组通过复兴原始定义并补充两个解释段落，确立了动态微生物组概念。该定义不仅包含细菌、古菌、真菌等微生物成员，还涵盖其"活动剧场"——包括次生代谢物、信号分子及物理化学环境。

核心要素

微生物群

微生物组的活体组成部分包含原核生物（细菌/古菌）、真核生物（藻类/原生生物），但噬菌体和游离DNA等"遗迹DNA"的归属存在争议。研究表明土壤中遗迹DNA占比达40%，而某些样本可达80%，但对分类多样性估算影响有限。维基百科术语明确区分微生物群（living microorganisms）与微生物组（包含代谢产物及环境因素）。

网络交互

微生物间存在互惠（共生/共代谢）、拮抗（竞争/拮抗）等复杂关系。寡营养型微生物适应低营养环境（如深海沉积），富营养型微生物在高有机质环境（如化粪池）占优。微生物社会适应性研究揭示了共生菌群的"利他"与"欺骗"行为，例如珊瑚与虫黄藻共生关系的瓦解会导致白化。

研究范式

演进历程

17世纪列文虎克首次观测微生物，20世纪DNA测序引发范式转变。1988年Whipps提出微生物组定义，2005年人类微生物组计划启动。现代多组学技术（宏基因组/转录组/蛋白质组）革新了研究方法，但约70%宏基因组序列功能未明，培养组学正在复兴。

研究类型

植物微生物组：核心微生物群包含维持植株健康的关键物种，氮肥施用会破坏微生物网络连通性。

动物微生物组：哺乳动物肠道菌群与宿主共进化，但鱼类/鸟类的系统共生关系研究显示哺乳类特异性更强。

海洋微生物组：珊瑚礁、海绵等关键物种的微生物互作研究为气候变化影响提供新视角，鲸类呼气微生物采样新技术（无人机采集）取得突破。

人体微生物组：人类微生物组计划揭示皮肤、肠道等位点的正常菌群特征，代谢物如三甲胺N-氧化物（TMAO）与心血管疾病相关性成为研究热点。

研究方法论

高通量测序技术（三代测序）推动微生物组研究，但培养技术（culturomics）仍不可或缺。计算建模（代谢网络通量分析）可预测种间相互作用。当前研究面临序列数据与功能验证脱节的挑战：40-70%基因功能未知，85/118原核门缺乏培养物种描述。

研究前沿

共生演化

从"分离"理论到"全生物体"（holobiont）整体观的转变。健康状态（eubiosis）对应高多样性，失衡状态（dysbiosis）导致疾病，如珊瑚白化。全基因组关联研究揭示鲸类肠道菌群兼具食草/食肉动物特征。

动态网络

共现网络分析显示植食性慈鲷肠道菌群复杂度（156节点/339边）显著高于肉食性种类。微生物组装过程受宿主系统发育、环境因子共同影响，例如蕨类植物内生菌群受基因组和生态位双重调控。

技术突破

荧光原位杂交（FISH）、宏蛋白质组学等技术揭示了管蠕虫共生系统能量交换机制。无人机采集鲸类呼出气微生物的方法革新，首次实现大型鲸类非侵入性取样。

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