微生物方法学研究

在高通量测序的大力推动和快速发展下，微生物组学研究进入到了多组学的时代。为更好满足科研人员多组学联合分析需求，美格基因基于科研需求及以往项目经验，全新推出微生物组+代谢组联合分析解决方案，克服单一组学研究局限性，多角度解释科学问题！本期分享几篇微生物组+代谢组多组学应用案例，为大家提供微生物组+代谢组多组学研究思路。肠道微生物菌群与人类免疫细胞动力学有关原名：The gut microbiota is associated with immune cell dynamics in humans译名：肠道微生物菌群与人类免疫细胞动力学有关期刊：NatureIF：42.778发表时间：2020.11.25DOI号：10.1038/s41586-020-2971-8研究方法：16S+宏基因组+代谢组该研究首次证明肠道微生物群直接塑造了人类免疫系统的构成，通过探究肠道微生物菌群与人体外周免疫细胞计数日常变化之间的关系，有效的将人体肠道微生物菌群与免疫系统的动态联系起来。尽管缺乏淋巴细胞和其他免疫细胞亚型等详情，但该研究直接在患者机体进行研究，添补了目前在微生物群研究的重要空白：基于动物模型的微生物群-免疫相互作用研究与临床数据之间的相关性。该研究结果表明，微生物菌群会影响人体的系统免疫，其研究结果为微生物菌群靶向干预措施以改进免疫治疗和免疫介导性和炎症性疾病的治疗打开了大门。地中海饮食对超重和肥胖受试者的干预可降低血浆胆固醇并导致与能量摄入无关的肠道微生物组和代谢组改变原名：Mediterranean diet intervention in overweight and obese subjects lowers plasma cholesterol and causes changes in the gut microbiome and metabolome independently of energy intake译名：地中海饮食对超重和肥胖受试者的干预可降低血浆胆固醇并导致与能量摄入无关的肠道微生物组和代谢组改变期刊：Gut影响因子：17.943发表时间：2020.2DOI：10.1136/gutjnl-2019-319654研究方法：宏基因组+代谢组本研究旨在通过地中海饮食（MD）对超重和肥胖人群的干预试验探究MD对代谢健康、肠道微生物组和系统性代谢组的影响。在研究期间，摄入与日常能量一致的MD后监测受试者饮食的依从性，代谢参数，肠道微生物组和全身代谢组，结果发现受试者血液胆固醇和血浆及尿液中肉碱水平的降低与MD的依从性成正比；同时MD导致了微生物组和代谢组的多种变化，如增加了降解膳食纤维的普氏粪杆菌等。这一结论有助于制定改善代谢健康的饮食策略。炎性肠病（IBD）微生物代谢组学：优劣与未知原名：IBD Microbial Metabolome: The Good, Bad, and Unknown译名：炎性肠病（IBD）微生物代谢组学：优劣与未知期刊：Trends in Endocrinology and metabolismIF：9.777发表时间：2020.05DOI：10.1016/j.tem.2020.05.001研究方法：16S+宏基因组+代谢组在胃肠道内，微生物衍生的代谢物是宿主与微生物相互作用的关键组分，并已被证明对诸如II型糖尿病（T2DM）和炎症性肠病（IBD）等代谢疾病有重要影响。越来越多的研究表明肠道菌代谢物是导致宿主发病的重要原因，有望通过调整肠道微生物群及代谢物来治疗IBD，本研究从转录组学与菌群功能、菌群代谢物与宿主、菌群代谢物与临床应用三个角度客观地论述了通过调整肠道微生物群及代谢物来治疗IBD方法的优劣，并提醒人们在临床治疗上应该慎重。16S rRNA测序虽然可以方便地研究微生物群的组成，但由于目前对于菌群基因库认知的不完全性，限制了对有关代谢物影响的理解。宏基因组测序为现有的基因提供了更深入的了解，但这些基因中的大多数功能仍然未知。为了进一步了解相关微生物菌群的功能潜力，可以进行微生物组+代谢组多组学联合分析，在了解微生物多样性的同时，探寻微生物对机体生化和功能的影响。上述几篇研究结合微生物组和代谢组多组学联合方法，构建了微生物与代谢组之间的网络关系，克服了单一组学研究的局限性，多角度理解微生物与代谢关系之间的联系，填补了微生物与代谢关系研究数据上的空白。您可能还喜欢：不同土壤深度之间微生物格局有何不同？最新！2020年美格基因项目文章年终大盘点

在这个广袤的世界上，存在无数各种各样的微生物，但我们对微生物了解很少，甚至不知道在我们周围有什么样的微生物。世界上所有的哺乳动物和鸟类，几乎已经全部被认知，而我们认知的微生物还不到1%。要知道，我们每个人体内都有大量微生物，一个100斤重的人，体内大约有1.5斤的微生物，它们在我们体内发挥着什么作用？如何发挥作用？是否能够成为人类健康的关键因子？是否能够超越生命体的生死，影响着生命体的未来……种种问题，指引着科学家前进的方向。微生物组是微生物学发展史上一个重要的概念性飞跃，是指一个特定环境或者生态系统中全部微生物及其遗传信息，包括其细胞群体和数量、全部遗传物质（基因组），涵盖微生物群及其全部遗传与生理功能，其内涵包括了微生物与其环境和宿主的相互作用。微生物组学是一个崭新的学科，微生物组研究取得的成果，必将为国家经济社会发展、人类生活质量改善提供源源不断的创新活力。因此，微生物组学也是一个世界各国争相发展的战略性科技领域。微生物组是整个地球生态系统的“基石”之一，从人到地球生态系统的各种生态位中，几乎无处不在，且互相紧密结合，形成完整的复杂系统；微生物组的正常状态与运行，是保证系统健康的重要因素之一，一旦出现结构失衡和功能失调，系统就会出现病态。因此，目前人类面临的从疾病流行到生态恶化、气候变化等复杂系统的病态问题，背后几乎都有微生物组失调的影响。正是认识到微生物组的重要作用，因此，美国、欧盟、日本等发达国家和地区纷纷部署支持微生物组研究的国家计划。发达国家纷纷启动了微生物组计划。例如，美国在2016年5月宣布启动“国家微生物组计划”，将支持跨学科研究，解决不同生态系统中微生物的基本问题；开发平台技术，对不同生态系统中微生物组的认识以及知识的积累，并提高微生物数据的访问等。欧盟也启动了me taHIT计划，致力于建立人肠道微生物基因与人体健康和疾病的关系。不少科学家认为，鉴于微生物组研究的庞大体量和广泛内容，任何一个国家都不可能独立完成，未来很可能会形成一个类似人类基因组计划的国际大科学计划。在深入实施创新驱动发展战略的进程中，中国科学家要积极提出并牵头组织国际大科学计划和大科学工程。能否实现这一目标，从某种程度上取决于我们的相关研究处于什么水平和地位，因此，尽快启动中国微生物组研究计划就成为题中之义。日前，“中国科学院微生物组计划”启动，它将作为种子项目，引领“中国微生物组计划”生根发芽。而这，也是我们积极参与，并主导国际大科学计划的基础。相关链接“中科院微生物组计划”的5个课题人体肠道微生物组：初步阐明肠道微生物与宿主营养代谢的关系和机制，及其在常见营养相关性疾病发生、发展、诊断、治疗中的作用及可能的机制，同时开发相关的疾病诊断模型、微生物菌剂来预防、治疗相关疾病。家养动物肠道微生物组：从肠道微生物组新视角出发，发掘功能肠菌或相关代谢产物，提升动物免疫水平，建立微生物组干预新策略，解决我国畜牧业发展中面临的疫病频发等问题，在未来动物养殖抗生素替代方面能够产生显著的经济效益，同时在环境保护方面也具有积极的作用。活性污泥微生物组：解析活性污泥微生物组的结构与组成，揭示功能单元的形成机制，研发新型分子标记指征活性污泥微生物组功能，建立抗生素抗性基因序列数据库、活性污泥参考数据库和功能菌群互作关系分析平台，建立功能调控示范系统，为指导活性污泥微生物组功能原位调节，控制污泥膨胀，提升废水处理效能提供新思路。微生物组功能解析技术与计算方法学：技术方面，掌握微生物组拉曼成像技术、微生物组高通量培养技术、微生物组大数据挖掘技术；装备方面，实现菌群单细胞拉曼分选与测序耦合功能的样机、液滴阵列单细胞培养仪样机、固体纳米孔微生物多样性芯片；软件方面，发展拉曼组分析三部曲软件包、元基因组遗传变异分析软件包、单细胞基因组拼装与分析软件包。中国微生物组数据库与资源库：建立中华肠道微生物组样本长期稳定及高保真保藏技术；建立中华肠道微生物组菌种的高通量分离、快速鉴定及保藏技术；制订中华微生组样本库和菌种库技术规范；建立中华微生物组样本库、中华健康人群肠道微生物组菌种库、代谢综合征特征微生物菌种库等中华微生物组菌种库，收集、整合菌种资源超过10000株，物种数量超过500种。构建中华人肠道微生物组、亚健康微生物组等数据管理平台及数据库，建立高质量的中华微生物组参考数据库，建立微生物群落研究的功能组学新技术及整合分析平台，实现大规模数据及分析结果的可视化。

在高通量测序的大力推动和快速发展下，微生物组学研究进入到了多组学的时代。为更好满足科研人员多组学联合分析需求，美格基因基于科研需求及以往项目经验，全新推出微生物组+代谢组联合分析解决方案，克服单一组学研究局限性，多角度解释科学问题！今天为大家分享一篇发表在mSystems上的研究，研究对定殖耐万古霉素屎肠球菌的微生物群与微生物组-代谢物相关联进行了探究，是一篇微生物组+代谢组多组学运用的佳作！Microbe-Metabolite Associations Linked to the Rebounding Murine Gut Microbiome Postcolonization with Vancomycin-Resistant Enterococcus faecium定殖耐万古霉素屎肠球菌的微生物群与微生物组-代谢物相关联作者：Andre Mu 等期刊：mSystems时间：2020IF：6.519DOI：10.1128/mSystems.00452-20方法：16S+代谢组一、文章摘要具备万古霉素抗性的屎肠球菌（Enterococcus faecium，VREfm）是近年来出现的一种病原菌，人们开始研究VREfm定殖人类肠道的分子机制，但对该过程中肠道共生细菌的作用仍然不甚理解。在此，作者通过16S扩增子和代谢组研究小鼠肠道微生物对VREfm定殖的作用。经头孢曲松和VREfm处理，小鼠肠道微生物的转变发生在拟杆菌门和柔膜菌门间。研究细菌和代谢物共现性时找到了VREfm定殖初期及后期的与丁酸相关的典型代谢物，这些与拟杆菌有关的代谢物能指示微生物群落向原始状态过渡的状态。本研究说明了抗生素对肠道生态系统的影响，以及定殖VREfm后肠道微生物组的转变。未来或可优先选择用拟杆菌来改调节代谢组，已作为消除VREfm的非抗生素疗法。二、实验设计实验样品来自六周龄雄性小鼠（naive phase）。将头孢曲松添加到饮水中喂养小鼠2d（antibiotic treatment），停用1d后（antibiotic weaning）将屎肠球菌ST796移植到小鼠中（early VRE colonization and late VREfm colonization phases）。提取小鼠粪便DNA进行16S rRNA测序，同时进行粪便代谢物的液相色谱分析，构建微生物与代谢组之间的网络关系。三、实验结果1.扩增子测序结果表明微生物结构发生了变化表1 样品总结N：原始样品；Abx-Tx：抗生素处理期；Abx-Wn：抗生素适应期；VRE-E：VREfm定殖早期；VRE-L：VREfm定殖后期经不同处理，各样品的OTU丰度有所差异（图1）。经过头孢曲松喂养，小鼠肠道的优势物种从拟杆菌纲变成了柔膜菌纲，而在VREfm定殖后期又恢复成了拟杆菌纲。图1 纲水平上OTU的生物多样性2. 小鼠肠道微生物响应抗生素，在VRE定殖3d后丰度上升从PCoA图可以看到，不同处理的样本明显分开了，而头孢曲松处理和VREfm定殖后期的样本有聚类到一起的趋势（图2）。在群落组成方面，对照组中微生物的群落结构稳定，多样性高。经头孢曲松处理后群落多样性和稳定性急剧下降，而VREfm的定殖又进一步增强了这种效果，3d后微生物群落丰度开始恢复。这些结果说明小鼠肠道是个稳定的微生物保存库，被干扰后群落丰度也能够恢复到最初的状态。图2 多样性分析3.多重回归寻找与VREfm定殖相关的sOTUs利用多重回归寻找与VREfm定殖最相关的OTU，5个正相关的OTU分别来自肠球菌属（Enterococcus）、拟杆菌属（Bacteroides）、丹毒丝菌科（Erysipelotrichaceae）、过氧化氢酶杆属（Catabacter）、毛螺菌科（Lachnospiraceae），而负相关的是梭菌目（Clostridiales）、安德克氏菌属（Adlercreutzia）、柔膜菌纲（Mollicutes）、消化链球菌科（Peptostreptococcaceae）和梭菌目（Clostridiales）。VREfm定殖的第一天，肠球菌属丰度最高，说明肠球菌也许能阻碍VREfm定殖（图3）。图3 多重回归检测到一种肠球菌与VREfm定殖相关性最强4.分子网络鉴定代谢组的差别用MS-LC检测不同时间段小鼠肠道代谢物的变化（表1）。PCoA分析结果显示各样品间代谢组不同（图4）。在实验初始阶段和VREfm定殖后期的代谢组聚类到了一起，抗生素处理后和VREfm定殖前期的聚类到了一起。这说明两个时期的样本情况更相似。使用自由森林分析预测代谢物与实验组之间的相关性。结果表明每个实验阶段都有独特的代谢特征。重要的是，VREfm定殖后期样本中找到一种含有n -乙酰化羟基的未知代谢物（feature 6325），该物质仅在群落向初始状态转变时出现。另外，在用抗生素处理期间头孢曲松（feature 3901）的丰度最高。图4代谢组学分析5.拟杆菌相关代谢物与VREfm定殖后期相关不同实验阶段微生物和代谢物的丰度差别都较大，尤其是VREfm定殖后期。分析微生物-代谢物互作时发现，VREfm定殖后期肠球菌起到非常重要的作用，恢复的细菌中拟杆菌的OTU占了绝对丰度，该阶段检测到的2个代谢物为m/z 173.067 RT 18.392和m/z 167.083 RT 25.277。而m/z 245.055 RT 7.945与VREfm定殖后期高度相关。整体数据说明是肠道微生物引起了代谢物的改变。图5 微生物-代谢物双标矢量图四、小结屎肠球菌（VREfm）有潜在的对抗多种抗生素的能力，它们对人类健康的威胁日渐增强。有研究表明肠道微生物能够调整VREfm生长，抑制VREfm的毒力。本研究探索了抗生素处理和VREfm定殖条件下肠道微生物和代谢物的变化情况，找到了与VREfm相关的微生物和代谢物分别为肠球菌和feature 6325。这为进一步的研究提供了参考，未来，也许可以通过利用肠道微生物产生的益生元来治疗多抗生素抗性病原菌的感染。五、点 评16S rRNA测序虽然可以方便地研究肠道微生物群的组成，但由于目前对于细菌基因库认知的不完全性，限制了对有关代谢物影响的理解。为了更好的理解小鼠肠道微生物对VREfm定殖的作用，作者有效地结合微生物组和代谢组进行多组学联合分析，构建了微生物与代谢组之间的网络关系，并找到了VREfm定殖初期及后期与丁酸相关的典型代谢物，填补了肠道微生物功能研究数据上的空白。您可能还喜欢：研究思路｜三代宏基因组应用案例解读（第3期）产品升级｜美格基因重磅推出微生物组+代谢组联合分析解决方案美格基因2020年上半年项目文章大盘点！

美国顶尖的医疗机构克利夫兰医学中心于2016年10月公布了“2017年十大医疗科技创新”的榜单，基于人体微生物组的预防、诊断和治疗，位居榜单第一位。随着科技进步和人们对健康的关注，人体微生物组研究已逐步从实验室走向市场。本期，理中归元与大家分享的是肠道微生物组学发展带来的新兴产业。一、微生物组检测健康管理前几年美国联邦政府发表声明，每年投入4亿美元，实施“国家微生物组计划”（NMI），在内部多家机构的帮助下，将尝试在未来绘制并研究这些微生物的组合。加上社会每年10亿美元投入，现在美国联邦政府每年有14亿美元的资金应用于微生物组的研究。人体微生物组菌群就像人体健康的“晴雨表”，菌群成分的变化可以在人体内环境层面反映人体的健康特征。微生物组检测技术为健康管理行业的发生和发展创造了可行性。自2001年人体基因组计划(HGP)完成以来，针对个体基因组的密集研究在过去十五年间未间断，诸如靶向治疗以及非侵入式产前诊断等相关应用使得个体基因组产业保持着超过10% 的高速年增长率。微生物检测组是近几年兴起的一个概念，美国在这个领域比较早期的公司Ubiome成立于 2012年底，获得了几轮数百万美元的融资。虽然在过去几年中的火爆程度不及个人基因组检测，但随着“国家微生物组计划”（NMI）的实施，微生物组的商业化前景肯定要超越个人基因组检测。微生物组检测是检测身体的不同部位，比如口腔、肠道、皮肤等部位的微生物变化，对身体健康进行实时监测，通过比较微生物变化来提醒客户应该吃点什么食物或者应该多做些什么运动。理中归元通过查阅资料总结其他相关的公司及研究成果：Arivale公司通过了解客户的基因、血液、唾液及肠道微生物组等指标，制定相关计划（作息、运动及饮食等），促进人体健康；AMI公司是一家非营利性机构，致力于微生物科学与教育，通过微生物组学研究促进人体健康。二、体外诊断我国微生物学诊断领域起步较晚，受制于国内生物医学和机电一体化应用落后于国际水平，国内微生物学诊断发展一直比较缓慢，培养基种类不多，需求基本要依赖进口满足。我国微生物学诊断与国际水平差距较大，不过华大基因近期在此领域突破较为明显：2012年，华大基因II型糖尿病（T2D）和肠道菌群联系的研究成果发表在Nature上，该研究发现了众多T2D基于肠道菌群的疾病诊断预测标记物，利用这些标记物可很好地在验证集里对患者和健康人进行分类。2014年，肝硬化与肠道菌群关系的研究成果也发表在Nature上。2015年又验证了用微生物组分析来诊断代偿患者（CP）及失代偿患者（DP）的准确性，并在原来66个宏基因组物种（MGS）的基础上又发现了13个新的MGS，该成果又一次发表在Nature上。2015年，肠道微生物与结直肠腺瘤及结直肠癌的关联特征的研究成果发表于国际期刊Nature Communications。2015年10月，另一篇针对结直肠癌和肠道菌群的研究发表在国际期刊Gut上。2017年，Nature Medicine刊载了瑞金医院和华大基因合作的针对中国人肥胖和肠道菌群的研究成果。近些年的各项研究明确提出，通过肠道微生物进行一些疾病，如肝硬化、T2D、结直肠腺瘤及结直肠癌、RA、肥胖病、强直性脊柱炎（AS）等的监测是可行的。根据人体微生物组设计的各种疾病高相关性分子标记物，可以用来进行慢性疾病的早期检测，包括早期发现、早期预防和早期干预。三、肠道微生物组的疗法肠道微生物组的疗法主要是开发以人体微生物组为靶点的药物或制剂。随着科研工具的进步，科学家们对肠道微生物组的研究越来越深入，近年的研究成果为肠道微生物组治疗中靶点药物治疗提供了科学基础。比如：上海交通大学医学院附属医院宁光院士团队的研究揭示了中国人肥胖的肠道菌群组成，发现了能抑制中国汉族年轻人肥胖的肠道菌——BT菌；美国加州大学洛杉矶分校的研究人员研究发现大脑产生的信号可以影响肠道微生物的组成，反之，肠道微生物产生的化学物质可以改变人体大脑的结构；美国宾夕法尼亚大学佩雷尔曼医学院的研究人员报道，肠道微生物组中的细菌促进颅内海绵状血管瘤形成，此项研究提示改变海绵状血管瘤病人的肠道微生物组可能是一种有效地治疗这种脑血管疾病的方法。目前已有多家公司从事肠道微生物组治疗研究，但他们关注的疾病类型不同，例如：Second genome公司主要关注的是传染性疾病、免疫性疾病和代谢类的一些疾病；Seres therapeutics公司关注的是传染性疾病、代谢类疾病和炎症；Vedanta biosciences公司关注的是自身免疫性疾病和炎症；Microbiome therapeutics公司关注的是糖尿病和肥胖；Assembly biosciences公司目前正在研发一种治疗艰难梭状芽孢杆菌感染的口服药剂。四、菌群移植2013年4月，美国苏拉维茨（C．M．Surawicz）教授的合作组将粪菌移植（FMT）首次写入临床指南，随后美国食品和药物管理局将粪菌移植纳入观察性新药监管，但是粪菌移植的机理尚未完全明确，第一代智能化机器也只能分离整体菌群，无法细分特定细菌。1958年始，粪菌提取需手动操作过滤；2013年，加拿大发明了一种粪菌胶囊；到了2014年，南京医科大学第二附属医院张发明教授（暨理中归元母公司普唯尔临床项目组研究者团队中主要研究者之一）研制出第一台粪菌智能化分离系统，可以在十几分钟就搞定采集粪便、分离粪菌，得到高度纯化的菌群。同益生菌相比，粪菌移植具有更复杂的细菌多样性，因此也具有更强的效果。菌群移植主要是将健康志愿者的肠道菌群转移到病人肠道中来修复患者的菌群系统，实现肠道及肠道外疾病的治疗。针对难辨梭状芽孢杆菌感染（CDI），有研究者曾对17例采用菌群移植治疗的重度复杂性CDI患者进行长期随访研究，结果显示：初次治愈率和总治愈率分别为88．2％和94．1％。鉴于FMT临床上的显著疗效，美国传染病学会（IDSA）目前已将FMT治疗方案列入复发性CDI的治疗指南中。不仅是CDI，值得一提的是，GUT发表的一篇文献中已经指出，粪菌移植在特定的在溃疡性结肠炎患者中，具有比较高的治疗成功率，文章中指出，对粪菌移植产生响应的患者在进行移植之前，粪便中的真菌细胞病毒丰度显著低于未响应的患者。这无疑为该类患者提供了一定的福音。理中归元认为，即便对该领域的研究探索才刚刚起步，但肠道微生物组学的研究热潮已经让创业者对微生物产业发展的前景兴奋不已，充满了期待。不过尽管利用宏基因组学方法研究微生物群体为人们较好地阐释了微生物群体的多样性和重要性，然而仅依靠DNA层面的分析，不能很好地研究微生物组的功能情况；我们建议利用多组学分析的方法（包括——基因组学、元转录组学、宏蛋白质组学和代谢组学），为微生物表型组提供更丰富的信息来源。可以看见的是，一系列系统研究正在逐渐揭示人体微生物神秘的面纱，越来越多的研究成果证实肠道微生物终将改变营养和医学的未来，这种充满颠覆性挑战与产业革命的预期，必将成为创业创新的动力与源泉，助推健康产业的发展。文/Amy 编辑/半夏参考资料：1、Frank D N，St AmandA L，Feldman R A，et a1．Molecuar phylogenetic characterization of microbial communityimbalances in human inflammatory bowel diseases．Proc Natl Acad Sci USA．2007，104(34)：l3780-l3785．2、Aroniadis O C，Brandt LJ，Greenberg A，et a1．Longterm follow-up study of fecal microbiota transplantation for severeand／or complicated clostridium dimcile iInfection：a multicenter experience．J Clin Gastroenterol，2016，50(5)：398-402.3.Loweukaryotic viral richness is associated with faecal microbiota transplantationsuccess in patients with UC，10.1136/gutjnl-2017-315281.

1.什么是微生物微生物是一切肉眼看不见或者看不清楚的微小微生物的总称。结构比较简单，个体微小（一般<0.1mm），按照其进化水平和性状可分为原核类、真核类和非细胞类。表解如下：2.人类对微生物认识的过程2.1难以认识的微生物世界微生物的独特的性质和特点，决定了人们对微生物长期缺乏认识。尤其是在显微镜技术和微生物的各种分离培养技术发明应用以前，人们很难发现和注意这些个体微小（通常在几um至几十um之间）、外貌不扬（聚集的菌落或多细胞菌体）、混生杂居而又数量庞大、分布广泛的微生物群体。也就不会理解那些不可思议的现象（例瘟疫、食物发霉等）是如何发生的，更不会明白这些体积微小、平淡无奇的生物对自然界和人类的真正作用。大肠杆菌（革兰氏染色）显微镜下大肠杆菌平板培养2.2人类开启微生物世界的历史2.2.1史前期当人们还未见到、理解微生物微生物的时期，只能凭借自己的经验在不断的实践中开展利用有益微生物和防治有害微生物，并长期停留在低水平的应用阶段。在此期间，我国传承几千年的传统制曲酿酒工艺绝对是最高水平的应用，用曲霉或毛霉先进行淀粉的糖化，然后用酵母菌进行酒精发酵，可以说是现代发酵的基础。而宋代发明的“以毒攻毒”的免疫方法（一说16世纪下半叶开始使用），用接种人痘的方法来预防天花这绝对是划时代的成就，这比英国人E.Jenner在1796年发明的接种牛痘预防天花早了两个多世纪。2.2.2初创期这一时期标志事件是荷兰业余科学家列文胡克发明单式显微镜，于1676年首次观察到了个体微小、作用巨大的细菌。列文胡克用列文胡克显微镜观察的人血图片2.2.3奠基期这一时期主要有两个人：一个是法国的巴斯德利用曲颈甑肉汤实验建立了配种学说，自此微生物学开始形成独立的学科；二是德国的科赫建立了一系列研究微生物的方法，分离培养纯种微生物。在两人的研究基础上，微生物学及其分支学科不断的发展和完善。2.2.4发展期1897年，德国人E.Buchner用无细胞酵母菌压榨汁中的“酒化酶”对葡萄糖进行酒精发酵成功，标志着微生物学进入了生化研究的时代。此后，微生物生理、代谢研究就蓬勃开展起来了。2.2.5成熟期1953年，J.D.Waston和H.F.C.Crick发现并建立了DNA结构的双螺旋模型，开创了分子生物学研究的新阶段。DNA双螺旋moxing近年来，随着各种数据库的建立和完善以及各种计算机辅助分析软件的帮助下，基因组学、蛋白组学、生物信息学以及合成生物学、系统生物学逐渐成为生命科学的热点。3.微生物学的发展促进了人类的进步3.1促进人类医疗事业进步根据巴斯德的胚种学说，19世纪60年代应用石炭酸建立的外科消毒术有效的降低了外科手术死亡率。各种病原微生物的发现、分类和建库。各种药物的研制和使用，包括免疫防治的疫苗，化药；应用基因工程和生物工程技术开发的抗生素、生物制品。通过这些，人类在与病原微生物的斗争中已取得了极大的成功。3.2工业应用主要是利用有益微生物发酵、酿造，改善食物风味；抑制有害微生物，延长食物保存时间。通过各种发酵技术和代谢控制技术，大规模、高效的生产各种有机产品、生物制品、工业原料。生物工程的兴起，即遗传工程、细胞工程、微生物工程、生化工程和生物反应器工程，结合化工、机械和计算机科学为人们提供巨大的经济效益和社会效益。3.3促进农业的进步微生物在农业中有很多方面的应用，从而促进了农、林、牧、渔的发展，例如以菌治虫、病、草；以菌当饲料、药物、食物等等。3.4对生物学基础理论研究的贡献微生物学是整个生物学中具有一套自己独特操作技术的学科，因而需要特殊的实验装备和独立训练。例如显微镜技术和制片染色技术，无菌操作技术，消毒灭菌技术，纯种分离和克隆技术，选择性和鉴别性培养技术，突变型标记和筛选技术，菌种保藏技术，原生质体制备和融合技术，以及各种DNA重组技术等。这些技术已迅速扩散到生命科学各领域的研究中，成为生命科学研究的必要手段，从而为整个生命科学作出了方法的贡献。4.微生物学及其分科微生物学有许多分科，表解如下：

人类对微生物的了解、探索任重而道远，对微生物组的研究有望为人类健康问题和社会可持续发展提供新的解决之道。地球上微生物的诞生可以追溯到35亿年前，远早于人类的诞生。然而，人类与微生物却“相识”甚晚，自1676年荷兰人列文虎克（Antony van Leeuwenhoek）用自制的简单显微镜观察到细菌开始，仅短短的几百年，但这一发现为人类揭开了一个崭新的世界。人类对微生物的利用远早于对其的科学认识在列文虎克通过显微镜观察到细菌之前，其实人类早已开始了对微生物的利用，只是未从科学角度对微生物的形态、功能及作用机制进行描述。早在上古时代，我国就已开始利用曲糵（发霉、发芽的谷粒）进行酿酒，但一直不知道曲糵的本质所在。考古学家在我国贾湖遗址的陶器沉积物中发现了酒石酸成分，经碳-14年代测定距今有9000多年，说明当时人们已经开始通过发酵酿造技术制作饮料，是目前世界上发现的最早与酒有关的实物资料。公元6世纪，贾思勰在《齐民要术》中明确记载了谷物制曲、酿酒、制酱、造醋、腌菜等利用微生物制作食品的方法。除了食品制作外，我国人民很早就将微生物用于农业生产和医疗。春秋战国时期，劳动人民从生产实践中发现腐烂在田里的杂草可以使庄稼长得茂盛，于是开始用腐烂的野草和粪作为肥料；公元前1世纪，世界现存最早的农学著作《氾胜之书》曾提出，利用瓜类和小豆间作的种植方法来提高作物产量；《神农本草经》记载了白僵蚕（即感染白僵菌而僵死的家蚕幼虫）的功效与用法；《左传》也有关于用麦曲治疗腹泻病的记载；《医宗金鉴》则详细记载了种痘防治天花的方法。西方国家也同样有利用微生物的历史，如公元前3000年左右，古埃及人就首先掌握了制作发酵面包、酿制果酒的技术。尽管当时人们通过日积月累的生活实践，已经学会巧妙地利用微生物来改善自己的生产和生活，但是他们并不知道这些方法的实质是微生物在发挥作用。显微镜的发明让人类与微生物相识除了在生产、生活实践中利用微生物外，人类也经受着各种微生物制造的威胁，如瘟疫等。但是，当时人们并不知道是微生物在其中“作怪”。尽管如此，一些科学家还是预见到了某种未知的实体在其中发挥了作用。1642年，明末清初传染病学家吴有性曾在其著作《瘟疫论》中提出传染病“乃天地间别有一种异气所感”，并指出“气即是物，物即是气”，对微生物的存在进行了较为粗浅的预见。16世纪末，简易的显微镜在荷兰诞生，但当时人们并没有将其应用于科学研究中。直到17世纪80年代，列文虎克用其自制的可放大160倍的显微镜对雨水、污水、血液、腐败了的物质、牙垢等进行观察，发现了许多“活的小动物”。他利用显微镜持续地对这些“活的小动物”的具体形态进行了观察和详细描述，并将结果发表在《皇家学会哲学学报》，从此打开了人类对微生物研究的大门。列文虎克也成为世界上第一个观察到球形、杆状和螺旋形的细菌和原生动物的人。在列文虎克之后，不少研究者也通过显微镜对微生物的形态等进行了研究，不断充实和扩大人类对微生物的认知。然而，在其后200年左右的时间里，人类对微生物的认识依旧停留在对其形态的描述上，对它们的生理活动、作用规律以及它们是如何影响人类健康和生产实践的仍一无所知。对“自然发生说”的否定推动了微生物学科的发展尽管列文虎克等科学家开启了微生物研究的大门，但千百年来普遍流行的“自然发生说”依旧盛行，并于18世纪和19世纪达到了顶峰。“自然发生说”认为，生物可以从无生命物质或有机物中自然发生，而不是通过上一代此类生物繁衍产生。“微生物学之父”、法国科学家巴斯德（Louis Pasteur）并不这样认为。1859年，他巧妙地设计了著名的曲颈瓶实验对“自然发生说”进行了反驳。在实验中，他选择了曲颈瓶与直颈瓶进行对比，在两个瓶内都装入肉汁，分别用火加热，通过高温对肉汁及烧瓶杀菌，结果曲颈瓶由于颈部弯曲且较长，使空气中的微生物在侧管沉积而不能进入烧瓶，煮过的肉汁不再和空气中的细菌接触，并未发生腐败，而直颈瓶内的肉汁则很快发生了腐败。这个实验有力地反驳了“自然发生说”，证明了微生物在腐败食品上并不是自发产生的。巴斯德在研究制酒时酒为什么会变酸的过程中，证明了并非发酵产生微生物，而是微生物引起了发酵，并发现环境、温度、pH值、基质成分以及有毒物质等因素都以特有的方式影响着不同的微生物。为了解决酒变酸这一问题，他发明了“巴氏灭菌法”，即利用较低温度做短时间加热处理，杀死有害微生物的同时又能保持食品中营养物质风味不变的消毒法。这种方法至今仍在食品生产中被广泛使用。巴斯德还一直致力于致病微生物及免疫方法的研究，开创人类防治传染病的新时代。19世纪50年代起，巴斯德通过对蚕病、牛羊炭疽病、鸡霍乱和人狂犬病等传染病病因的探究试验对“疾病细菌学说”进行论证，证明了微生物是引起传染性疾病的媒介。1881年，巴斯德公开演示证明了给健康的牛注射毒性减弱的炭疽杆菌，会使这种病发作轻微但不致命，之后还会使牛对此病产生免疫力。这次演示引起了医疗界和社会的巨大轰动，为人类与传染病的斗争提供了新的武器。随后，他又成功地研制出鸡霍乱疫苗、狂犬病疫苗等多种疫苗，拯救了无数的生命，为免疫学的创立奠定了基础。在巴斯德以实践论证“疾病细菌学说”的同时，德国医生科赫（Robert Koch）于1876年在《植物生物学》杂志上发表了关于炭疽杆菌的研究成果，引起巨大的反响。这是人类历史上第一次用科学的方法证明某种特定的微生物是某种特定疾病的病原。科赫首先从牛的脾脏中找到了引起炭疽病的炭疽杆菌，并把其移种入老鼠体内，使老鼠之间相互感染炭疽病，最后又从其他老鼠体内找到了同样的炭疽杆菌。随后，科赫成功地利用血清在与牛体温相同的条件下培养了炭疽杆菌，并发现了炭疽杆菌的生活规律。1881年，科赫发明了固体培养基划线分离纯种法，解决了液体培养基培养细菌时各种细菌混合生长难以分离的问题，这种方法的发明使得多种传染病病原菌相继被发现。为了更加清晰地对细菌的形态进行观察，科赫对细菌试验的方法进行了改进，如干燥方法、染色方法等，还建立了悬滴标本检查法和显微摄影技术。此外，科赫还提出了一套系统的研究方法——“科赫原则”。这些研究和技术方法至今仍在使用，为微生物学研究奠定了方法学基础。研究者开始运用“实践—理论—实践”的思想方法开展微生物研究工作，并建立了许多应用性分支学科，如细菌学、真菌学、土壤微生物学等。这不仅丰富了微生物学的研究内容，大大加速了微生物学的发展，也使得19世纪70年代到20世纪20年代成为病原菌发现的黄金时代，大量的病原菌浮出水面，使人类对疾病有了更深的认识。青霉素的发现与应用推动了微生物工业化培养技术的发展1897年，德国生物化学家布赫纳（Edward Buchner）用酵母菌无细胞压榨汁对葡萄糖进行酒精发酵获得成功，证明了发酵过程主要是依靠酵素而不是酵母细胞发挥作用，从而发现了酒化酶，将微生物学从生理研究阶段推进到了生化研究阶段。随后，研究者开始广泛寻找微生物的有益代谢产物，许多酶、辅酶、抗生素都是在这一时期被发现的。这些发现推动了普通微生物学的形成。这一阶段，最有代表性的发现和发明当数青霉素。19世纪，工业革命大大提高了人们的生活水平，但细菌感染导致的死亡率居高不下。在这个没有抗菌药物的时期，面对肆虐的疫情，人们束手无策。19世纪末至20世纪初期，尽管人类已经开始采用苯酚、硼酸、醇类进行手术消毒，大大降低了术后患者的死亡率，但这类消毒试剂并不能深入病灶，对于已经存在的细菌感染仍无法治愈。1908年，德国科学家埃尔利希（Paul Ehrlich）发现了化合物砷矾纳明可用于治疗梅毒，拉开了人类寻找抗菌药物的序幕。1928年，英国细菌学家弗莱明(Alexander Fleming)意外发现在他的实验室里有一个葡萄球菌培养基受到了一种霉菌的污染，培养基中受污染区域里的葡萄球菌消失了。经过几天的观察，弗莱明发现霉菌逐渐发展成了菌落，培养汤呈淡黄色，还具有了杀菌能力。于是，他推断真正的杀死葡萄球菌的物质应该是霉菌生长过程中的代谢产物。他将这种代谢产物命名为青霉素，并发现青霉素能抑制多种有害细菌的生长，对人和动物却无毒。1929年弗莱明将其研究结果发表在《英国实验病理学杂志》上，尽管当时并未引起学术界的高度重视，但弗莱明坚信青霉素将会有重要的用途。由于弗莱明当时并没有对青霉素治疗效果开展系统性的观察试验，且他并不了解生化技术，无法将青霉素提取和纯化，难以在实际中应用，这一成果就这样被埋没了10多年。20世纪40年代，澳大利亚裔英国病理学家弗洛里（Howard Florey）和德裔英国生物化学家钱恩（Ernst Chain）偶然发现了弗莱明的论文，产生了极大的兴趣。他们重复了弗莱明的试验，对青霉素进行了提取和纯化，并进行了动物试验。1940年8月，他们将研究的全部成果发表在《柳叶刀》杂志上，被医学史上称作“青霉素的二次发现”。1941年2月，他们成功地运用青霉素治愈了一位因划破了脸导致伤口感染而患了败血症的警察。尽管试验清楚地表明了这种新药具有惊人的效力，但单靠实验室提取，并不能满足人类的需求。随着第二次世界大战爆发，英国、美国政府意识到要想将青霉素广泛地应用于各种疾病以及伤员救治中，就必须实现工业化大规模生产。在美国政府的鼓励和制药企业的参与下，青霉素得以大规模生产和应用到战争伤员的治疗中，并逐步在公民医疗中使用，惠及全世界。青霉素的发现和应用开启了一场从自然界天然菌体中筛选出抗生素的运动，链霉素、头孢菌素、万古霉素、红霉素等天然抗生素相继被发现和应用，人类终于在与致病细菌的搏斗中略占上风。DNA双螺旋结构模型的建立使微生物研究进入分子水平1928年，英国细菌学家格里菲斯（Frederick Griffith）通过试验发现把活的RⅡ型无毒肺炎双球菌株和死的SⅢ型有毒株，混合注射至健康小鼠体内，小鼠患病死亡，且能从小鼠体内提取出活的SⅢ型有毒株，并且这种有毒株能世代繁衍，即细菌转化现象。由于当时技术水平的限制，格里菲斯并没有确定究竟是什么物质导致了细菌转化，但格里菲斯的试验为后来证实DNA就是遗传物质提供了宝贵的思路。随着化学提纯等技术的进步，美国科学家艾弗里（Oswald Avery）、麦克劳德（Colin Macleod）和麦卡蒂（Maclyn McCarty）对格里菲斯的工作进行了延伸，成功解释了细菌转化的原因，证明了引起转化现象的是细胞内的脱氧核糖核酸分子，而非当时人们普遍认为的蛋白质，开启了分子遗传学研究的大门。1953年，英国生物学家克里克（Francis Crick）和美国分子生物学家沃森（James Watson）建立的DNA双螺旋结构，让人们真正了解了遗传信息的构成和传递的途径，正式开启了分子生物学时代。在科学家破解“遗传的秘密”的同时，1933年，德国物理学家鲁斯卡（Ernst Ruska）研制出了世界首台电子显微镜，让人类能够更加清楚地认识微生物细胞的详细结构，为探索更加微观的生物世界奠定了坚实的技术基础。微生物学研究便逐渐成为生物学研究领域的“明星”，被推到了整个生命科学发展的前沿，获得了迅速的发展，大约1/3的诺贝尔生理学或医学奖获得者都是由于其在微生物问题研究中获得的成就而获得殊荣。1946年，美国遗传学家莱德伯格（Joshua Lederberg）与塔特姆（Edward Tatum）通过试验发现了细菌的遗传重组。他们把两个需要不同生长因子的大肠杆菌营养缺陷型混合培养在基本培养基上时出现了野生型，而分别培养时则从未出现，从而说明了遗传重组的普遍性。1952年，莱德伯格发现了细菌的F因子，揭示了作为供体细胞的细菌可以把遗传物质传递给作为受体细胞的细菌。莱德伯格的一系列研究证明了特定细菌可通过杂交方式进行繁殖，有力地反驳了当时科学界认为的“细菌太过简单，不适合进行遗传分析研究”的观点。此外，莱德伯格在研究中还创立了一套强有力的细菌遗传学试验方法，为细菌遗传学的建立奠定了基础，后续对细菌遗传学的研究大多基于这一试验方法开展。1977年，美国科学家乌斯（Carl Woese）率先利用核糖核酸（RNA）研究原核生物的进化关系，提出了“生物三域理论”，即可将自然界的生命分为细菌、古生菌和真核生物三域，揭示了各种微生物之间的系统发育关系，使微生物学研究进入成熟阶段。在这一阶段，研究者更多地在基因和分子水平上研究和揭示微生物的生命活动规律，包括研究微生物大分子结构和功能，不同生理类型微生物的各种代谢途径、代谢活动等，微生物的形态构建和分化、病毒的装配以及微生物的进化等。微生物学的基础理论和独特实验技术催生了大量理论性、交叉性、应用性和实验性分支学科飞速发展。同时，人类在应用微生物改善生产、生活方面，也朝着更有效、更可控的方向发展，如以大肠杆菌等细菌细胞为工具进行基因转移、编辑等，或通过基因工程技术开发菌种资源提高发酵工程效率。新一轮科技革命的战略前沿领域——微生物组人类对微生物的研究已超过百年，越来越多的研究表明了微生物在人类生产、生活中的重要作用。然而，尽管随着显微技术、成像技术、测序技术等的不断发展，人类对微生物的研究经历了从生理、生化到分子层面的演进，但我们对微生物依然缺乏了解，从数量上看目前人类所认知的微生物还不足其总量的1%。随着人类对生命奥秘的探索越来越深入、越来越迫切，生命科学与其他科学的融合交叉也越来越密切，基因组学、蛋白质组学等研究逐步形成体系，把单个生命体作为一个复杂系统、把生态系统作为一个有机整体进行研究，已成为当今生命科学研究的主要特征，对微生物的研究也是如此。目前，学术界界定的微生物组是指一个生态系统中全部微生物资源及生命信息，包括它们与其环境中生物和非生物因子之间的各种关系。可以说，从人到地球生态系统的各种大大小小的系统中，微生物组无处不在，且互相紧密结合，微生物组的稳定结构和正常运转是人类健康、生态系统稳定的重要保障。自2007年美国启动“人类微生物组计划”以来，加拿大、日本、法国、欧盟、中国积极参与，并先后启动了相关的微生物组计划，足以说明世界各国已将微生物组研究作为战略科技前沿领域。从研究方式看，微生物组更加强调多学科的交叉会聚和跨领域的合作研究。从技术手段看，除了培养组学、高通量测序和生物信息技术等为代表的新一代微生物学技术外，宏基因组学技术在微生物组研究中也发挥了重要作用，它运用功能基因筛选或测序分析等手段，通过对环境样品中的微生物群体基因组进行研究，对微生物多样性、种群结构、进化关系、功能活性、相互协作关系及与环境之间的关系进行解析。从应用前景看，目前微生物组研究主要围绕系统解析微生物组的结构和功能、厘清相关调控机制等方面开展，并逐步形成了从基础研究到应用产业化的创新链条。以被称为“人类第二基因组”的人类微生物组为例，现有研究表明人体微生物组在消化、代谢、免疫、疾病预防和治疗等方面都发挥着重要作用。目前，肠道菌群检测已经转化为临床技术，可用于癌症筛查、疾病治疗和药物开发等方面。同时，在代谢病治疗，尤其是肥胖症和糖尿病的治疗上，微生物组的研究成果也发挥了重要作用。为了更大限度地发掘和研究不同生态系统中的微生物组资源，2016年5月美国宣布启动“国家微生物组计划”以支持跨学科研究，开发平台技术，解决不同生态系统中微生物的基本问题，并提高微生物数据的访问等。我国也非常重视对微生物组的研究，《“十三五”国家科技创新规划》就将人体微生物组研究摆在了重要位置，明确提出了“开展人体微生物组解析及调控等关键技术研究”的任务。《“十三五”生物技术创新专项规划》还确定了“力争在微生物组学技术等方面取得重大突破，使相关研究水平进入世界先进行列”的目标要求。2017年12月，“中国科学院微生物组计划”正式启动，该计划汇集了国内微生物组研究领域的权威机构，包括中国科学院上海生命科学研究院、中国科学院生物物理研究所、北京协和医院等14家机构，聚焦“人体和环境健康”微生物组研究，为人类健康问题和社会可持续发展提供新的解决之道。可以预见在不久的将来，微生物组研究的相关成果和技术将更加广泛地渗透到医药、农业、能源、工业、环保等领域，成为破解人类健康、环境生态、资源瓶颈、粮食保障等重大问题的重要路径。无处不在的微生物与人类共同生存了数百万年，它们曾造福于人类，也曾给人类造成毁灭性的灾难，始终保持着“亦敌亦友”的奇妙关系。人类对微生物的了解、探索任重而道远，对微生物组的研究也许正是我们打开未知世界大门的钥匙，我们期待着微生物组的研究能够帮助人类更好地了解微生物、利用微生物以应对当今和未来所面临的巨大挑战。作者：邓元慧，中国科协创新战略研究院助理研究员，博士。王国强，中国科协创新战略研究院研究员，博士，主要研究方向为科技史、科技政策和科技传播。本文来自《张江科技评论》

由国家微生物科学数据中心（世界微生物数据中心）建立的模式微生物基因组数据库（gcType）http://gctype.wdcm.org/，是为分类学家进行基因组研究、新种鉴定的一个非常有价值的工具平台。平台不仅集成了目前所有公共来源的模式微生物物种和基因组数据，还发布了大量自测模式微生物基因组数据，是目前国内外模式微生物基因组数据最为丰富的平台。并且集合了数据搜索下载，新种鉴定，基因组拼接与注释等在线分析工具，为全球各个保藏中心和广大分类学家提供一个分类学研究的利器。gcType数据库主页16702个物种截止到2020年6月，所有有效发表的原核微生物物种信息及其对应的菌株信息可以直接通过点击主页上的数字16702查询这些物种名称所对应的模式菌株编号(strain)，测序状态(sequencing status)和测序中心(sequencing center)。也可以通过点击主页左边Data→Valid published species进入到相同的查询页面。如果想查询这16702个有效发表物种名称的16s rDNA 基因序列，可以通过点击主页左侧Data→16S rDNA sequences进行全部的查询。数据库还利用打分程序，对多条序列进行了质量评估，为研究人员推荐最佳质量序列。67125个模式菌株所有有效发表的原核微生物物种，在全球微生物保藏中心共保藏有67125个模式菌株。可以直接通过点击主页上的数字67125查询这些模式菌株所对应的物种信息。也可以按照保藏中心来查询模式菌株的测序情况，通过点击主页左侧Data→Type strains by Culture Collection，可以查询得到86家不同保藏中心的全部模式菌株的数量（type strain (total)），已经测序的模式菌株的数量(type strain (sequenced)和未测序的模式菌株的数量（type strain (un-sequenced)）。还可以近一步点击或者搜索单个保藏中心了解该保藏中心模式菌株的测序情况。12715个基因组所有已经完成测序的模式微生物基因组数据可以直接通过点击主页上的数字12715查询这些基因组数据所对应的物种名称(species)、模式菌株编号、测序状态(project status)、基因组大小(genome size)、N50数值、Scaffold数值和GC含量(GC %)。也可以通过点击主页左侧Data→Type strain genomes进入到相同的查询页面。还可以利用过滤工具，按照不同条件选择目标基因组。数据库还利用打分程序，对基因组数据进行了质量评估，为研究人员推荐最佳质量基因组。基因组序列的fasta文件，还可以一键批量下载！1726个自测基因组世界微生物数据中心（World data center for microorganisms，WDCM）在2018年启动了全球微生物模式菌株基因组测序计划（GCM2.0），目标是完成全世界所有模式微生物的基因组测序。已经吸引了来自14个国家超过20个保藏中心的加入。在这里，有最新发布的自测基因组数据！通过GCM测序平台测序的基因组数据搜索数据库通过物种名称搜索在搜索框中输入待搜索的物种名称，不仅能够通过GCM数据库搜索到与物种名称相关的所有模式菌株编号，GCM项目编号，测序状态和测序中心的信息。还可以通过点击物种名称下面的“LPSN”图标跳转到LPSN网站查询其他相关信息。以物种名称Streptomyces rubiginosus 为例的搜索界面通过菌株编号搜索在搜索框中输入待搜索的菌株编号，可以通过GCM数据库搜索到菌株编号对应的物种名称（species），GCM项目编号(project ID)，测序状态(sequencing status)和测序中心(sequencing center)的信息。点击GCM项目编号，查看对应的测序信息 (Sequencing information)和注释结果(Annotation results)。也可以直接下载基因组fasta格式的文件。以GCM项目编号GCM60017754为例的搜索界面如果需要通过一些关键字或者其他特定的筛选条件来搜索需要的信息，可以通过高级搜索来实现。高级搜索页面可以利用16S rRNA基因序列，与生物信息数据库中的16S rRNA基因序列进行比对，达到对该微生物分类鉴定的目的。将测序获得的16S rRNA基因序列放在“Input sequence”框中，在“Job title”中填写菌株编号或者其他名字，点击“Blast”，就可以搜索出该基因序列所对应的物种名称（species），一致性(Identities), 序列比对长度（Alignment Length），不匹配数（Mismatches）, 缺失或插入（Gap Opens）等信息。以物种名称“Acanthopleuribacterpedis”的16S rRNA基因序列为例的搜索页面树形结构浏览点击主页左侧Search→Tree browser进入树形结构浏览搜索页面，可以通过NCBI生物分类数据库（NCBI taxonomy）树形结构和基因组分类学数据库（GTDB taxonomy）树形结构两种方法在古菌和细菌两类中浏览已经测序过的物种。以物种名称“Acidilobussaccharovorans”为例的搜索界面基因组拼接、注释和物种鉴定不知道用什么工具分析？没有足够的计算资源？需要写代码太麻烦？在这个平台里都可以得到免费的一站式解决方案。点击主页左侧Tools→Genome Analysis可以在线进行基因组分析（包括基因组拼接和注释）。点击主页左侧Tools→Species Identification可以在线进行物种鉴定，所有的操作都是图形化界面，只需要选择参数，上传序列文件就可以。物种鉴定模块可以计算ANI，直接用于IJSEM文章发表！如果是第一次使用这两个功能，请点击主页左侧Tools→Manual阅读流程说明手册。在线基因组分析界面在线物种鉴定界面免费的新种测序和分析平台还可以为用户提供免费的潜在微生物模式菌株基因组测序和分析，详情请看模式微生物基因组可以免费测序了~地址：北京市朝阳区北辰西路一号院3号 中国科学院微生物研究所电话：010-64807385邮箱：nmdc@im.ac.cn

在人体肠道内，存在 160 多种、100 万亿个微生物群落。微生物群落发挥作用，是通过多种微生物相互作用实现的。他们不是独立的个体，而是互相配合、互相影响、互相竞争的关系。这种关系复杂而又难以验证，人体内微生物群落的研究难度超出想象。中国科学院深圳先进技术研究院研究员、博士生导师戴磊就是研究微生物群落的一名生力军。他在本科阶段进入中国科学技术大学学习，之后到麻省理工学院读博，期间，更灵活的思维模式，开阔的眼界，让他决定在物理和生物交叉领域进行一些尝试。回国后，他加入中科院，全心参与到合成微生物组学的研究中。戴磊对 DeepTech 说：“研究人体内微生物群落之所以困难，有两个重要的原因。一是缺少研究工具，二是缺乏系统生物学思维。”比如，艰难梭菌是人体内普遍存在的一种细菌，真正对人体产生威胁的不是细菌本身，而是在某些条件下，其释放的毒素。患上艰难梭菌感染（CDI）的病人会出现水样腹泻或腹部绞痛，严重时会脱水乃至威胁生命。而治疗 CDI 常用的抗生素法，会让细菌产生耐药性以至于导致 CDI 复发。根据哈佛医学院的研究显示，20% 接受抗生素治疗的 CDI 病人会复发感染。当前，清除 CDI 的最佳方法就是 FMT，即粪便移植，统计数据显示，针对 CDI 复发患者，FMT 有效性约为 85%-90%。为什么 FMT 作用如此出色，科学家也不太清楚。图｜人体肠道微生物群落 （来源：东方 IC）生物学家搞不清楚的事，引起了麻省理工学院（MIT）物理学家的兴趣。杰夫戈尔（Jeff Gore），也是戴磊的博士导师，他用严谨的物理学方法研究 “生物如何在复杂的社群中生存下去” 这一问题，大大推动了人体微生物群落研究这一领域的进步。一个悖论和一个笑话 物理学家和生物学家看待问题的角度不同。在他们各自的领域，物理学家会问：“为什么它（物种）存在而不是不存在？” 生物学家会问：“为什么有很多物种而不是少数物种？”著名英国生态学家 G. Evelyn Hutchinson 在 1960 年的美国自然主义者协会会议上，提出了 “浮游生物悖论（the paradox of the plankton）”。在一瓶海水中，存在着各种浮游生物，他们都在争夺相同的营养元素。根据达尔文的进化论，随着时间的推移，应该只有一种生物会占据生态位，但最后的结果是，竞争物种在生态系统中得以稳定共存，这不合理。为什么获得优势的物种没有胜过其他所有物种？为什么不存在一种或几种生物，获得竞争优势后驱逐了所有其他的物种？自从达尔文完成《物种起源》，这个问题已经困扰了科学家 150 多年。同样，在物理学领域，存在这样一个笑话：物理学家可以描述两个或者无限多个元素的系统，但是在 2 与无穷大之间，我们一无所知。通俗的说，物理学家清楚两个原子之间的相互作用；如果是一个房间内的原子，数量趋于无穷大，科学家可以用温度、压强等指标来描述这些原子集合的状态。但如果研究 100 个或者 500 个原子之间是怎样互相作用的，科学家就束手无策了。一个悖论和一个笑话。其揭示的是同一个问题，即对一个生态系统或微生物系统，科学家难以研究其复杂的中间状态，要么只能对单个、两个元素的系统进行研究，要么对整个系统做出解释。戈尔的研究极有可能打破这一瓶颈。在上个世纪 90 年代后期，戈尔还是 MIT 的一名本科生。他与沃尔夫冈凯特尔（Wolfgang Ketterle）一起开发了一种用于研究玻色 - 爱因斯坦冷凝物的实验仪器，凯特尔于 2001 年获得诺贝尔物理学奖。此后，戈尔进入加州大学伯克利分校学习生物物理学，并以博士后的身份再次回到 MIT，开始他位于物理学 - 生态学边界上的研究。将 “精确” 与 “量化” 引入生态学研究在戈尔看来，解释生物如何在复杂的环境中生存，一定存在一个 “大而美的理论”。他注意到，在先前的研究中，理论和测量方法并不能总是得以匹配。这意味着，明确的、清晰的、可复制的侧向方法是缺失的。因此，戈尔将微生物置于严格控制的环境中，并且用最先进的仪器跟踪每个微生物个体的命运，并且严格计数。从简单到复杂，戈尔设计了一系列实验。首先是在糖溶液中培养啤酒酵母菌落。这些酵母菌能够将不可食用的糖转化为可食用的糖，因此每个酵母菌都可以从邻近的酵母受益，但逐渐稀释的糖溶液会最终导致酵母菌落饿死。研究人员在数据中捕捉信号，预测酵母菌落会繁衍还是崩溃。这项研究于 2012 年发表在《科学》杂志上，是戈尔实验室迄今为止被引用最多的论文，其中最有名的是一个分岔图，描绘了决定该生态系统保持稳定或走向崩溃的精确条件。此前，类似的研究大多停留在理论和模拟上。戈尔用实验数据证明了理论的正确性。既然已经验证了只有一个生物的生态系统，那下一步当然是研究两个生物的系统了。研究团队接下来从土壤中分离了八种细菌菌株，将它们两两配对并放置于 96 孔板中，观察它们的共存关系。之后这些细菌又被全部混合在一起，因为要从整体上观察它们的相处模式。举个例子，假设现在有三种细菌 A，B 和 C，我们可以将它们两两配对组合成 AB，BC 和 AC 三组生态系统。如果我们观察到 A 能击败 B（两者合并后 A 成为主导菌），B 能击败 C，那么 A 就有很大机率击败 C。这符合我们的直觉。实验数据也证实，这个推测的机率是 90% 左右。也就是说，A 更有可能在复杂的 A、B、C 共存的混合环境中生存下去。三种细菌循环克制有了前两个实验做铺垫，戈尔希望能进一步拓展研究范围，使实验更贴近现实情况。于是他带领团队在 MIT 校园中挖了一些土壤，拿回实验室分离出了近一千种细菌菌株。他们希望找到三种细菌相互克制的情况，类似于石头 - 剪刀 - 布的关系，但这种情况在大自然中非常少见。设计这套实验的部分动机最早可以追溯到上世纪 70 年代。生态学理论学家提出，或许可以利用三个物种的混合竞争创造 “高阶” 稳定状态，防止一个物种大幅超越其他物种，优雅地实现生态系统多样化。然而由于缺乏实际数据支撑，科学家也不知道看似行得通的理论是否有实际价值。图 | 在自然界中，很难找到三个物种相互克制的关系（来源：Lucy Reading-Ikkanda/Samuel Velasco/Quanta Magazine）在近一千种细菌中，戈尔的研究团队只发现了一套三物种循环克制关系。当他们把这三种细菌和其他 17 种细菌放在一个培养皿中，整个系统遵守的是 A 击败 B，B 击败 C，C 击败 D 的游戏规则。最终只剩下 3 种细菌，成为了可以共存的优势菌。这与原本多样化且稳定的土壤菌落环境相去甚远，而且预期的 “三物种循环克制” 并没有发挥太大作用。戈尔得出结论称，土壤物理基质内环境条件的微小变化可能会稳定自然环境中的微生物多样性。虽然这只是一个生态系统的工作方式缩影，但仍然是十分宝贵的数据和经验。人体内的微生态系统为了将研究成果进一步推广到实际应用中，戈尔团队最近把目光转向了肠道微生物领域。微生物在大自然中扮演着重要角色，比如土壤里的微生物虽然微不足道，但没有它们就没有茁壮生长的森林和其他植物，也就没有了生态系统最重要的生产者，随之而来的就是生物多样性的崩溃，还会对气候造成巨大影响。事实上，科学家们也将人体消化系统视为微生态系统。肠道中广泛存在的有益微生物群落可以帮助我们更好地消化食物，吸收营养，甚至是提升免疫力和认知能力。但也存在许多有害的微生物，例如引发腹泻和结肠炎的艰难梭菌。图｜艰难梭菌 （来源：东方 IC）针对类似的消化道疾病，有一种治疗方式是粪便菌落移植。医生会通过灌肠或口服胶囊等方式，将处理过的健康人的粪便提取液转移到患者体内，从而重建健康的肠道群落。戈尔的研究团队希望能有所突破。他们的最新研究指出，当一个新的微生物进入到双微生物共生的生态系统中时，该系统的优势菌种通常会发生变化。这可能是粪便菌落移植能够击败艰难梭菌的原因。人体内微生物数量过于庞大，作为研究的起点，戈尔看中了生物学家做实验常用的秀丽隐杆线虫。这是一种以细菌为食，通体透明，非常容易培育的优秀实验对象。他们采用了类似土壤实验的办法，把带有红色和绿色标签（染色）的细菌喂给线虫，然后等一段时间后再将其解剖，以确定肠道中细菌的存活情况。研究团队进行了 11 种细菌的两两对比，然后再喂给线虫其中的三种。就像土壤实验中揭示的一样，如果 A 能击败 B，B 能击败 C，那么在 A，B，C 共存的环境中，A 在绝大多数情况下都是主导群落。“尽管外部因素很重要，但细菌两两竞争的胜负情况，很大程度上决定了更复杂微生物系统的主导者，” 戈尔表示，“这对于预测微生物环境的主导菌落很重要。” 当然，人类肠道环境要复杂的多，而且真实情况下还有更多的环境变量，细菌还会分泌改变环境的物质，甚至细菌本身都会发生变化。这些没有纳入考量的因素，都会影响真实世界中微生物菌落的变化。研究微生物疗法的 MIT 生物学家塔米利伯曼（Tami Lieberman）认为，想要在实验室中完全复制人体微生物菌落的状态非常困难，但 “这不意味着努力是白费的”。她正与戈尔讨论一项新的合作，以测试和预测人类肠道环境中微生物之间的相互作用。微生物群落：不止一种研究方法目前，戈尔采用了 “自下而上” 的研究思路，尝试搞清楚每种微生物作用，然后再推广到大范围微生物物种。但当系统发展到一定规模，具备更加复杂的特性时，这种方法的局限性就会显现 —— 构建成千上万物种之间的相互关系异常困难。波士顿大学的理论物理学家家潘卡吉梅塔（Pankaj Mehta）表示，虽然戈尔的研究成果令人印象深刻，超出了他的预期，但他对戈尔能走多远持怀疑态度。他认为，如果预测结果的方法是基于对每个元素的完全掌握，那么当系统变得非常复杂时，就会变得几乎无法预测。不论评价如何，戈尔等人的研究会坚持下去。他们已经研究了 40 种不同环境下的 20 种土壤细菌，获得了超过 18 万对相互作用关系。初步结果是，一种微生物受益于另一种微生物的相互作用关系比想象中普遍得多。这可能会颠覆科学家对微生物菌落行为的传统认知。根据戴磊的介绍，针对人体微生物群落的研究，至少存在三个层面的研究思路。第一种是针对基因组表达，研究结构对基因表达的影响，重在理解 3D 结构。第二种称之为调控，比如用噬菌体清除群落内的一种细菌，进行对照研究。第三种就是利用合成生物学的方法，降低复杂度，从人工合成细菌开始，组装一个群落，从 “造物” 的过程中去理解它。不仅仅是在美国，中国的研究人员也在开展人体微生物群落的相关研究。深圳未知君生物科技有限公司创始人谭验对 DeepTech 说：“戈尔采用的方法是‘自下而上’，从菌株开始，现在大量的方法是‘自上而下’，对人群进行队列试验”。未知君则同时开展了 “自上而下” 和 “自下而上” 的研究。他们收集了大量了临床数据，用 “自上而下” 的方法进行分析。同时，也采用合成生物学的方法，敲除细菌的基因，然后为群落建模验证。人体微生物群落的研究还处在初级阶段，任何一种研究思路都具有重意义。正如戈尔教授所说：“我们现在只是打地基，类似于物理学家理解量子力学和原子的方式，” 它表示，“物理学家试图理解氢的性质，并非因为他们对氢多感兴趣，而是如果我们不了解氢，就不能进一步了解在氢基础上构建的物质。”

微生物的科学秘密，挖掘你不知道的知识，走近科学哈喽，大家好，欢迎来关注小编的文章，地球上根菌与豆科植物的年共生固氮量约为5500万吨，约占整个生物因氮量的1/3,超过了全世界合成氮的年产量，在生物固氮中占有重要的地位。人工昭养的根丽细菌呈杆状，大小为(0.5~0.9)mx(1.2~3.0)m,革兰阴性菌，周生或渊生鞭毛，能运动，无芽珀，有哭膜，细胞内含有折光性强得多聚B羟基丁酸(PHB)颖粒，染色后呈环节状。根癌中的根细菌初为杆状，随着根寤发育，体积增大，形状有变为棒状的，T形的和Y形的等，其可叫做类菌体或假菌体，可以固氮。根瘤菌的突出特点之一是能够进入豆科植物根内，并于其中繁殖形成根瘤。根瘤菌的菌株都只能感染一定的豆科植物，有的植株不只感染一种豆科植物，如从豌豆根癌中分离的根瘤菌可以在豌豆、蚕豆等植物的根上形成根溜，而不能在大豆等其他植物上形成根瘤；大豆根菌只能在大豆根上形成根瘤，而不能在豌豆和紫云英等植物上形成根酈。也就是说这些细菌都有宿主特异性。根癌菌的另一重要特性是具有固氮活性，即可在根瘤中进行固氮作用这称为根寤菌的有效性。但不是所有能形成根瘤的根瘤菌都能固氮，有些是无效菌株，虽能形成根寤，但不固氮。目前用于农业生产中的重要微生物固氮菌多属于两个相关的属，即根菌属( Rhizobium)和慢生根菌属(Bradyrhizobium)。②非豆科植物的共生固氦—弗兰克菌。自然界中除了根细菌和豆科植物的共生固氢作用外，还有一些木本双子叶植物的根系上也能形成根溜它们也能固氮，但根内共生的并非是根瘤细菌而是共生固氮放线菌，即弗兰克菌( frankia)。它们同样具有固定空气中氢素的能力，有一些的固氮能力比大豆根酈菌还高。弗兰克菌是又一类重要的固氮资源菌。1978年，美国哈佛大学的 Callaham等首次用酶解法从香蕨木的根溜内分离出弗兰克菌纯菌种，离体培养成功，发现该菌在体内外均有固氮活性，回接到原寄主再次长出根溜。随看对 frankia菌研究的深入和离体培养及回接技术的不断完善，必将为 frankia菌肥的应用开辟厂阅的前景。frankia菌为革兰阳性菌或染色有变化，中温，好气 般无气生菌丝在基内菌丝末晰形成大孢囊，长达100gm,纵横分裂成孢子，不游动。在菌丝末端膨大，形成泡囊( vesicle)。泡囊可能是一种固氮“器官”。frankia菌可以自由存在于土壤中，当植物种子发芽长成幼苗时，壤中的 frankia菌就可以从植物根部侵入。这些植物一定是 frankia菌合适的奇主。侵入的方式现知道的有两种：一种是根毛侵入，另一种是细胞间穿透。frankia I菌一般仅与木本双子叶植物共生结瘤固氮，国外报道的树种有8个科21个属，190个植物种。我国现已查明的非豆科植物固氮树种有8科，80多个种，占世界一半，其中有20个新记载种。③其他植物共生固氮——蓝细菌。蓝细菌中的鱼腥藻属和念珠藻属能与真菌、厥类植物、藓植物、裸子植物和被子植物等众多生物类群发生共生固氮作用。因氮地衣便是蓝细菌和真菌的共生体。在1700多种地衣中有8%含有固氮蓝细菌，它们都具有特化异形胞。真菌菌丝和蓝细菌的细胞可以均匀交叉分布，如胶衣属；或者蓝细菌的细胞仅限于特定的层次内，如囊衣属。这一类型地衣内的菌丝交织成为菌丝组织，形成稠密的外皮层。皮层下为蓝细菌的细胞层，再下为菌丝疏松交织成的菌髓层，菌髓层以下可以由菌丝紧图结合成下皮层，也可以没有下皮层。在许多叶状地衣的腹面有环状结构，供通气用。好了，以上就是我们今天说的全部内容了，感谢您的阅读，我们下个故事见。