寄情微生物 不負(fù)科研夢
——記中山大學(xué)教授賀志理領(lǐng)銜的環(huán)境微生物組學(xué)研究中心

□ 倪海波

賀志理

早在2007年，人體微生物組計劃（HMP）就提出以健康人群來描繪人體微生物的全景圖，同時也提出了微生物在健康與疾病中扮演了什么角色的關(guān)鍵問題。2016年，美國正式宣布啟動“國家微生物組計劃”（NMI），重點關(guān)注人體健康、資源、環(huán)境和農(nóng)業(yè)相關(guān)的生態(tài)系統(tǒng)微生物組的功能，開發(fā)平臺技術(shù)，提升公眾對微生物組的認(rèn)識。2019年，人類微生物組整合計劃（iHMP）回答了微生物組與早產(chǎn)、炎癥性腸病及驅(qū)糖尿病等的關(guān)系，闡明了微生物組與這些生理或病理的關(guān)聯(lián)性和可能機(jī)理。許多人會問：NMI計劃會給我們帶來什么？其實，正如人體微生物組關(guān)乎人類健康一樣，環(huán)境微生物組與生態(tài)系統(tǒng)健康密不可分，如果將所有環(huán)境微生物和人體微生物都弄清楚，將是人類認(rèn)識生命歷史上的“大爆炸”事件。

NMI計劃的提出，引起了眾多專家學(xué)者的關(guān)注，其中包括研究微生物生態(tài)學(xué)和環(huán)境微生物學(xué)10多年的賀志理教授。在他看來，微生物無處不在，也無所不能，其本身就是一個巨大的知識庫，研究微生物組學(xué)將對人體健康、資源、農(nóng)業(yè)、環(huán)境等全球生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生積極的影響。

揭秘微生物

賀志理研究微生物從2003年在美國橡樹嶺國家實驗室進(jìn)行博士后工作才開始，此前他曾從事過植物科學(xué)研究和計算機(jī)與信息科學(xué)工作。自從接觸到微生物以后，他仿佛在科研上找到了自己的真愛。近年來，賀志理針對微生物，尤其是全球環(huán)境變化下微生物生態(tài)功能及其響應(yīng)機(jī)制，以創(chuàng)新微生物生態(tài)學(xué)作為研究手段，從微生物群落多樣性、組成、結(jié)構(gòu)，到生態(tài)系統(tǒng)功能和作用機(jī)制的研究，并評估生物治理技術(shù)的應(yīng)用效果。賀志理是開發(fā)功能基因芯片（GeoChip 2.0、3.0、4.0、5.0）及其相關(guān)分析技術(shù)的主要成員之一，為微生物生態(tài)學(xué)研究提供了新的工具和方法，并獲得美國工業(yè)界科技最高獎R&D 100 Award（排名第二）。相關(guān)論文2007年發(fā)表在The ISME Journal后，被Science、Nature Reviews Microbiology、Nature Climate Change等論文引用500多次，成為該期刊創(chuàng)刊10周年時引用次數(shù)前五的論文。他還利用GeoChip技術(shù)研究了多種生態(tài)系統(tǒng)微生物群落的多樣性、組成、結(jié)構(gòu)、功能和相互作用，對研究微生物群落與所處生態(tài)系統(tǒng)的相互關(guān)系具有劃時代的意義。

針對目前日益嚴(yán)重的全球環(huán)境變化問題，賀志理從微生物入手，利用高通量宏基因組技術(shù)來探索其對全球氣候和環(huán)境變化的響應(yīng)和反饋機(jī)制。他利用長期的FACE實驗基地和多項宏基因組技術(shù)，闡明了土壤微生物群落對大氣CO2濃度升高的響應(yīng)及其可能機(jī)制，研究結(jié)果在Ecology Letters發(fā)表后被Science重點推介; 他還利用長期的O3-FACE實驗基地和GeoChip技術(shù)，以不同O3抗性的小麥根際微生物群落為基礎(chǔ)，對O3升高的響應(yīng)機(jī)制也做了系統(tǒng)研究，結(jié)果發(fā)表在The ISME Journal上; 他再次突破創(chuàng)新，闡明了大豆和玉米微生物群落對CO2和O3的響應(yīng)機(jī)制，為研究全球氣候變化對農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)微生物群落功能過程的響應(yīng)引入了全新的視角。

此外，賀志理還利用所建立的高通量宏基因組技術(shù)和傳統(tǒng)的環(huán)境微生物研究手段相結(jié)合，建立、監(jiān)測、評估了一系列環(huán)境污染治理和生態(tài)修復(fù)技術(shù)，并進(jìn)行了不同規(guī)模的應(yīng)用研究，取得了明顯的效益。

微生物生態(tài)室

團(tuán)隊合影

明確目標(biāo)爭朝夕

時間匆匆即逝，在美國學(xué)習(xí)與工作的經(jīng)歷，一直是賀志理科研旅程中寶貴的財富。他也在不斷的磨煉中變得更加成熟獨立，這也讓他能夠更好地投入到后來的科學(xué)研究中。在國外期間，賀志理也一直在密切關(guān)注國內(nèi)微生物研究的發(fā)展。2017年3月，他回到了闊別已久的祖國，在中山大學(xué)組建了世界上第一個環(huán)境微生物組學(xué)研究中心，從國內(nèi)外引進(jìn)了教授、副教授、專職科研人員和博士后10多名，現(xiàn)有博士碩士研究生30名，具有國際上最新儀器和設(shè)備2000多萬元。

該中心具有數(shù)據(jù)科學(xué)、環(huán)境微生物生態(tài)學(xué)、系統(tǒng)微生物學(xué)和環(huán)境應(yīng)用四個核心實驗室，旨在研發(fā)微生物組學(xué)技術(shù)和生物信息學(xué)分析工具，考察各類生態(tài)系統(tǒng)中微生物群落的多樣性、組成、結(jié)構(gòu)、互作和功能，從而揭示微生物群落結(jié)構(gòu)和生態(tài)系統(tǒng)功能間的關(guān)系。研究中心的建立，將帶出一支具有國際水平的環(huán)境微生物研究團(tuán)隊，培養(yǎng)一批高素質(zhì)的研究型人才，提高環(huán)境微生物整體的學(xué)科建設(shè)水平。該中心不但以解決當(dāng)前環(huán)境領(lǐng)域里的熱點問題，還把公眾關(guān)注度較高的環(huán)境問題作為研究目標(biāo)。

在微生物的海洋里遨游，賀志理甘之如飴，為了達(dá)成這些研究目標(biāo)，他所帶領(lǐng)的團(tuán)隊于2018年啟動了“使用合成反硝化菌群探索微生物生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性機(jī)制”項目的研究，針對當(dāng)前合成微生物生態(tài)學(xué)熱點，利用反硝化細(xì)菌種類多、分布廣，在環(huán)境中有重要作用的特點，賀志理教授團(tuán)隊首先設(shè)計出五級篩選標(biāo)準(zhǔn)，用合成微生物生態(tài)學(xué)的方法構(gòu)建遺傳背景清晰的反硝化細(xì)菌群落，并在此基礎(chǔ)上揭示生物多樣性、生態(tài)系統(tǒng)功能及穩(wěn)定性的關(guān)系及形成與進(jìn)化機(jī)制。同時，該團(tuán)隊還以河口-近海生態(tài)系統(tǒng)為研究對象，聚焦微型生物多樣性形成及其維持機(jī)制、微型生物驅(qū)動的碳氮硫循環(huán)及其耦合機(jī)制，揭示溫室氣體的產(chǎn)生及其環(huán)境調(diào)控機(jī)制，闡明陸源營養(yǎng)和污染物輸入對河口和海洋環(huán)境的影響及生態(tài)效應(yīng)，旨在發(fā)現(xiàn)新的微生物類群、新基因、新代謝途徑，形成對河口-近海生態(tài)過程的新認(rèn)知和新理論。另外，他致力于顛覆性新技術(shù)——微生物組工程的研發(fā)，以期應(yīng)用于人體健康、生態(tài)安全和環(huán)境污染治理等領(lǐng)域。

盡管這些項目還在進(jìn)行中，預(yù)期結(jié)果尚不得而知，但賀志理及團(tuán)隊成員愿意將青春都奉獻(xiàn)給這些小小的微生物。在他們看來，無論科研之路多么辛苦，多么坎坷，當(dāng)科研做出成果的那一瞬間，先前的艱難就都值得了。那時他們所能感受到的只有喜悅，這也是科研最吸引他的地方。堅守微生物科研夢，做這條路上勇敢前行的開拓者，是賀志理及其團(tuán)隊一直堅持的信念和努力的動力。