第1章绪论
1.1从微生物到微生物组
自从17世纪安东尼？范？列文虎克（Antonie van Leeuwenhoek）**次在显
微镜下观察并描述微生物以来的300多年时间里，人类对微生物的研究能力和认知水平发生了天翻地覆的变化。当今科学技术的发展促进了微生物学研究，可以让人类在分子水平观察、研究和操控微生物细胞。人类可以在微观世界里认识和理解细菌如何生存和生活，也能够在宏观尺度上研究和预测微生物如何影响全球气候变化，导致我们对健康、疾病、环境、生态，以及人类与地球关系的理解，都发生了范式转变。
传统意义上的微生物学，主要研究微生物系统发育和分类鉴定、生理和生态、遗传和代谢等，核心关注微生物本身，特别是能够在实验室培养和具有重要工业应用价值（包括生物制药），或者与宿主感染致病等相关的微生物。传统微生物学的研究对象主要是微生物的一个细胞或者是同一种微生物组成的多个细胞群体，虽然也涉及微生物多个物种组成的群体，但其研究深度受限于技术能力和理论水平，不可与今日相比。
到了19世纪末20世纪初，微生物生态学的发展，特别是基于16SrRNA基因或者其他DNA分子标记的微生物分子生态学的技术进步，进一步推动了微生物学研究的范式转变。人们发现了自然界中广泛存在大量的、在实验室尚不能生长的未培养微生物，这大大拓宽了人类对微生物世界及其多样性的认知。对来源于土壤、海洋、湿地、湖泊、热泉等不同环境微生物多样性的研究发展，极大地丰富了人类对地球生态系统中微生物种类和数量的了解，刷新了对生存环境复杂性的认知，更加激发了人们对这些微生物在环境中的作用（功能）的研究热情。
随着DNA测序技术的发展、测序成本的下降，以及大数据处理和计算能力的跃迁式发展，基于DNA测序技术和基因功能注释、不依赖微生物培养的研究方式[例如宏基因组学（metagenomics）变得普遍且广泛应用。这些基于高通量组学结合学科交叉等的研究模式，形成了重大的、颠覆性的全新研究范式，几乎彻底改变了人们对微生物学的理解。人们在关注微生物本身的同时，更开始关注在一个特定生境下，具有不同特性和功能的微生物群落之间的相互关系，关注微生物群体与所处环境或宿主之间的相互作用。例如，在人体健康领域，除传统意义上引发感染的致病微生物之外，科学家还发现肠道微生物菌群失衡与人体健康状况特别是亚健康和慢性疾病，有着密切的关联；更为重要的发现是，微生物不仅仅与疾病相关，在维护人体健康方面，也发挥着不可替代的重要作用。
于是，微生物学研究开启了一个新的时代一微生物组时代。微生物组学的概念、研究方向和技术体系应运而生。图1-1简单回顾了从微生物发现到微生物组概念形成的主要历程，特别是微生物培养技术特点、不同发展阶段的推动力和主要标志成绩。
1.2微生物组概念的内涵
什么是微生物组？微生物组（microbiome）这一术语的原始定义是“micro”（微小）和“biome”（生物群落）这两个词的组合，即微生物组是一个占据明确的、特定的生活环境，并具有*特功能和特性的微生物群落（Berg et al.，2020）。简单的理解是指特定环境包括人、动植物内外环境中共生的全部微生物。
微生物组学研究在地球生态系统功能以及复杂多细胞生物宿主（人类及其他动物、植物和昆虫）的健康方面发挥着非常重要的作用，孕育着解决这些重大问题的关键技术；同时，微生物组研究涉及生物医学、环境科学、生态学、人工智能等多学科领域，因此被认为是多领域交叉的前沿学科。微生物组是一种典型的复杂系统，不同于传统的微生物学研究，具有*特的研究对象、研究思路和技术方法。
1.2.1微生物组的研究对象
要理解微生物组的研究对象，*先要区分微生物组和微生物群（microbiota）这两个在不同维度上的术语。微生物群通常被定义为某种特定生境中的“活的微生物”的集合，包括细菌、古菌、原生动物、真菌和病毒，通常采用系统发育分子标记方式（如16SrRNA）鉴定环境中的微生物种类。质粒、朊病毒、游离DNA等通常不被认为是环境中活的微生物，因此不属于微生物群。微生物组不仅包括微生物群，还包括它们生活的环境条件和环境理化因子，例如，微生物具有的遗传元件（如质粒、游离DNA）、结构元件（核酸、蛋白质、脂质、多糖）、代谢物（如毒素、初级与次级代谢产物），以及所生存环境或者宿主产生的相关物质（Marchesi and Ravel，2015；Sessitsch et al.，2023）。下面举例说明微生物组的概念。
1.2.1.1人体共生微生物组
人体共生微生物组包括肠道微生物组、皮肤微生物组、口腔微生物组、生殖道微生物组、呼吸道微生物组等。不同的身体部位（特定生境）包含特定的微生
物群，不同人的同一身体部位也可能出于宿主差异、基因差异、健康水平差异等原因形成不同的微生物群（Perez et al.，2016;Proctor and Relman，2017）。以肠
道微生物组为例，一个健康成年人的肠道中有200～500种微生物、1014个微生物细胞，肠道微生物群落在机体免疫、宿主疾病、药物功效等方面都显现影响力，其中微生物-微生物和微生物-宿主的相互作用对人类健康至关重要。不同水平相互作用的不平衡导致肠道微生物群的组成和功能的改变，并与人类健康水平和疾病形成因果关系。因此，肠道微生物组也成为疾病特别是慢性疾病的治疗靶点（Adak and Khan，2019;Fan and Pedersen，2021）。
1.2.1.2植物共生微生物组
微生物既能在植物体内生存（根瘤菌、内生菌），也能在根际土壤环境中生存，甚至能在两者之间进行交换。土壤被认为是地球上微生物群落组成*多样化的生态系统，而一些植物内生菌也能定植于植物组织内，包括花、果实和种子等生殖器官，从而使土壤到植物间的微生物群的水平传播，扩展到基于种子微生物群的垂直传播。土壤微生物组的变化可以极大影响植物微生物组的组成，进而影响植物多样性与品质；反之，植物多样性的丧失对土壤微生物组也有很大影响（Wangetal.，2019），人们估计，每丧失一种植物，就会有15种微生物随之灭绝。微生物组在植物繁育、土壤管理等领域发挥了重要的作用（Tnvedi et al.，2020）。
1.2.1.3动物共生微生物组
昆虫体内共生数百种微生物，并形成古老长期的共同进化的关系，昆虫肠道微生物菌株资源也越发受到关注。例如，白蚁肠道中富含可以降解纤维素和木聚糖等植物多糖的微生物（李丹红等，2017）;黄粉虫肠道中也成功分离出塑料降解微生物（曹沁等，2020）。昆虫与其他无脊椎动物也是病原体的重要载体，成为传播病原微生物甚至整个微生物群落的重要媒介（Feldhaar，2011）。瘤胃动物也是重要的动物共生微生物组来源，特别是在集中养殖的畜牧业生产模式下，瘤胃微生物组是基因水平转移的热点（如抗生素抗性基因）。此外，食品加工过程中，来自动物饲养、原料以及食品加工（如发酵过程）的微生物菌群发生的相互作用衍生出食品微生物组，同样也形成了食源性病原体转移到食物中，进而对人类健康构成潜在风险（Sun et al.，2020）。
1.2.1.4活性污泥微生物组
活性污泥是全球*常用的废水生物处理人工生态系统。基于活性污泥的污水处理法被认为是城市的“肠道”，其本质是利用活性污泥中的微生物驱动有机和无机污染物的降解与转化。活性污泥中的微生物物种绝大多数没有被分离培养（Wu et al.，2019）。活性污泥微生物组研究的主要对象是其中的微生物群落组成和基因组成，微生物组的结构和功能，其多样性与各类污染物的相关性，以及处理过程中微生物的时空变化规律。活性污泥工艺的稳定运行和技术革新需要*大限度发掘活性污泥微生物组在生态学与工程学上的价值（刘双江和王爱杰，2019）。
1.2.2微生物组的研究思路
微生物群落及其生存的环境形成了特定生态位。在一个特定生态位上的微生物组，是一个复杂体系，具有复杂的成员和互作关系。针对单一微生物及微生物群落的功能研究，以及微生物群落内部、微生物与环境和宿主的相互作用研究，都属于微生物组研究的范畴（Berg et al.，2020;Lawson et al.，2019）。
*先，微生物组研究关注微生物本身的功能，即对所包含的微生物类群应有清晰的认知，包括微生物的分离筛选、生长培养、合成与分解代谢通路等生理生化性状的分析，微生物群落中不同物种的分类、丰度和变化规律，阐明微生物群的结构。微生物在生态系统中起着重要作用，因此针对微生物本身的分离、培养和功能研究是微生物组研究的基石。中华健康人肠道菌株资源库（hGMB，https://hgmb.nmdc.cn/）（Liuetal.，2021）的构建为人类肠道微生物研究提供了重要的菌种资源，是进一步开展肠道菌-宿主互作机制研究、功能菌株菌剂开发的资源基础。
其次，微生物组研究关注微生物之间的相互作用，包括基于群体感应系统（Hong et al.，2012）以及基于营养互补关系的相互作用模式（Kubo et al.，2013）等。随着营养底物浓度、环境pH、温度等条件的变化，微生物群成员间可能发生共生、协同、捕食、寄生、拮抗或竞争等相互作用，进而导致群落结构和组成的变化，并直接或间接导致环境和宿主的时空变化。解析在特定环境中或者与宿主共生的微生物间的相互影响、相互制约、相互促进的规律，是调控和干预微生物组的重要前提。
再次，微生物组研究聚焦环境（宿主）与微生物之间的相互响应与相互适应规律。微生物组形成的微生态系统可以随着时间和规模发生动态变化，这种动态变化不仅包括微生物类群的变化，也包括系统中不同元素（微生物、宿主、代谢物、遗传元件等）间互动关系的变化。微生物群生存的环境（如碳源、氮源、pH、含氧量、温度等）（Goodrich et al.，2014）或宿主（如基因变异、代谢产物浓度、免疫水平等）的变化（Qin et al.，2022;Zhernakova et al.，2024），可以导致微生物群结构以及微生物与宿主间互作关系的改变。微生物群落组成也与噬菌体密切相关。宿主与微生物之间的相互适应甚至可以发展为协同进化的机制（Zaneveld et al.，2008），特定选择性压力下的协同进化过程又会驱动宿主-微生物相互作用的动态变化。
*后，微生物组研究通常需要产生和处理大规模的数据集，因此需要有别于传统微生物学研究的*特的解析和认知技术体系。可以说，方法学是微生物组学研究的重要推进器，适当的实验方法和统计设计是微生物组研究的基础（邓婷等，2020）。合适的采样位置、频率和方式也对微生物组功能的评估及对其调节机制的理解有极大影响；多组学研究、培养组学技术、高通量筛选技术，以及基于人工智能的大数据处理技术体系都不可或缺，工具适应性的提升以及偏好性的降低可以有力支持微生物组全景图的描绘。
1.2.3微生物组的技术方法
微生物组的研究主要依赖宏基因组、宏转录组、宏蛋白质组、宏代谢物组等多组学方法，高通量分离培养（培养组）与高通量检测技术，以及自动化技术等（Knight et al.，2018;van Leeuwen et al.，2023）。宏基因组技术可以描绘特定生态位下的所有遗传信息，Pasolli等（2019）从近1万个人类微生物组（宏基因组）中重建了超过15万个微生物的基因组。可见，宏基因组可以提供大量的微生物组数据信息。然而，宏基因组分析会提供大量的未知序列，这些DNA序列数据与微生物组的功能之间的联系仍十分不明确。宏转录组学等其他组学分析可以进一步产生关于微生物组功能的关键信息，帮助解析微生物组功能的动态变化规律。然而，多组学分析提供的大量序列中，有40%～70%被注释为功能未知的基因（Heintz
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