朱永官:地球“微生物暗物質”



朱永官:地球“微生物暗物質”——中國土壤微生物組的現在與未來

2017-07-21 中國科學院院刊

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  微生物是地球最早出現的生命形式,這種簡單而古老的生命決定了地球演化的方向和進程,推動了土壤的發生和發育,孕育了人類的文明。事實上,土壤中蘊藏的巨大微生物多樣性,被稱為地球關鍵元素循環過程的引擎,是聯系大氣圈、水圈、巖石圈及生物圈物質與能量交換的重要紐帶,維系著人類和地球生態系統的可持續發展。

  地球“微生物暗物質”

  近30年來,隨著各種先進物理化學手段的出現,特別是高通量測序技術的指數式發展,土壤微生物學成為地球科學與生命科學的新興學科增長點和交叉前沿,蘊藏于土壤中的巨大微生物多樣性被認為是地球元素循環的引擎,而每克土壤中數以億萬計的微生物中,高達99%的物種及其功能尚屬未知,因此被稱為地球“微生物暗物質”。

  這些海量的微生物與復雜的土壤環境總稱為土壤微生物組(Soil Microbiome),是工農業生產、醫藥衛生和環境保護等領域的核心資源之一,已經成為新一輪科技革命的戰略高地,得到了世界各國政府的高度重視。

  土壤微生物

  范圍

  土壤中所有微生物及其棲息環境的總稱

  核心研究內容

  特定土壤中微生物群落的協同演化規律及其環境功能

  土壤微生物組的功能

  1 土壤微生物組是地球上最重要的分解者,具有多重生態與環境功能。首先,微生物是土壤-植物系統中生源要素遷移轉化的引擎,土壤中有機質的分解與積累,氮素轉化(包括生物固氮)等過程無不與微生物的活動密切相關。這也是傳統土壤微生物學研究的重點,這些研究主要圍繞元素轉化速率、養分利用率、與相關土壤酶活性及功能基因的關系等進行。

  2 土壤微生物組是地球污染物消納的凈化器,通過生物轉化深刻影響土壤中污染物賦存的形態和歸宿,是土壤具有消納污染物功能的關鍵。對于有機污染物而言,通過微生物的代謝和共代謝過程,污染物得以轉化或徹底分解礦化。

  3 土壤微生物組是全球變化的調節器,通過影響元素生物地球化學過程,在很大程度上影響溫室氣體排放與消納,土壤微生物組可能能夠促進地球增溫,如驅動生態系統溫室氣體排放,包括甲烷和氮氧化物。土壤微生物組也是氮氧化物排放的重要來源。

  4 土壤微生物組是維系陸地生態系統地上-地下相互作用的紐帶。土壤微生物組是陸地生態系統植物多樣性和生產力的重要驅動者,直接參與了植物獲得養分和土壤養分循環兩個過程。

  5 土壤微生物組是活性物質的資源庫,與人類健康息息相關。土壤微生物組中的有益生物可抑制人類和動植物致病菌增殖和傳播,而土地利用方式的變化可通過改變土壤微生物多樣性來影響人類健康。土壤微生物是重要的次生代謝產物(如藥物)的資源庫,多數天然抗生素來自于土壤微生物。

  近年來,天然結構抗生素的發現進入瓶頸期,隨著微生物培養技術、宏基因組學及高通量篩選方法的發展,人們再次將目光聚焦于從天然產物中發現新型抗生素。

  1946年美國科學家賽爾曼·瓦克斯曼從土壤鏈霉菌中發現了鏈霉素,并獲得了1952年諾貝爾獎。

  20世紀70年代中期,美國科學家威廉·坎貝爾和日本科學家大村智發現了阿維菌素這一高效抗寄生蟲藥,并獲得了2015年諾貝爾獎。

  國際研究發展趨勢

  英國

  1997年,英國啟動了“土壤生物多樣性研究計劃”,組織120余位科學家參與并設置了30個研究項目,采用分子技術研究土壤生物多樣性及其功能,特別是發展了穩定性同位素示蹤復雜環境中生物標記物(PLFA/DNA/ RNA)技術(Stable Isotope Probe),培養造就了一批迄今活躍在國際土壤生物學前沿的著名科學家,土壤生物多樣性的重要性逐漸引起國際社會的關注。 

  中國

  我國科技主管部門長期以來高度重視土壤微生物相關研究。國家自然科學基金委2011年啟動了相關重大項目,針對稻田土壤關鍵生物地球化學過程與環境功能,開展了土壤微生物生態學機理研究。2014年科技部啟動了“973”基礎性研究項目“作物高產高效的土壤微生物區系特征及其調控”。同年,中科院啟動了“土壤-微生物系統功能及其調控”戰略性先導科技專項,開展土壤微生物組研究。同時期,中科院和國家自然科學基金委也啟動了“土壤生物學”學科發展戰略研究項目。

  美國




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