土壤微生物組研究進(jìn)展

趙 琪，王文俠，姜兆玉

(臨沂大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，山東 臨沂 276000)

1 引言

微生物起源于35億年前，是地球上最早出現(xiàn)的生命形式。微生物指?jìng)€(gè)體微小且肉眼不可見的生物，主要包括真菌、細(xì)菌、病毒、原生動(dòng)物等。在悠久的歷史長(zhǎng)河中，微生物這一特殊生命體參與土壤的形成和演變，在某種程度上，微生物推動(dòng)了人類文明的出現(xiàn)和發(fā)展。土壤是微生物的主要物質(zhì)基礎(chǔ)，1 g土壤中有種類高達(dá)10余萬種、數(shù)以億萬計(jì)的微生物。土壤微生物是驅(qū)動(dòng)物質(zhì)循環(huán)過程的引擎，也是地球上進(jìn)行物質(zhì)循環(huán)與能量流動(dòng)的重要樞紐，對(duì)人體健康、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、土壤環(huán)境修復(fù)等均起重要作用[1]。土壤微生物組(Soil Microbiome)是土壤中存在的海量微生物與周邊環(huán)境的總稱，包括所有的微生物類群、遺傳信息及其與環(huán)境之間的復(fù)雜關(guān)系[2]。土壤微生物組已然成為生命科學(xué)領(lǐng)域與地球科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[3]。

2 土壤微生物組的提出

20世紀(jì)人們逐漸發(fā)現(xiàn)在微生物培養(yǎng)過程中，存在大部分“未培養(yǎng)微生物”由于培養(yǎng)環(huán)境條件不達(dá)標(biāo)、培養(yǎng)方式過于“簡(jiǎn)單”和培養(yǎng)技術(shù)限制等原因無法被培養(yǎng)出來，導(dǎo)致后續(xù)研究無法全面展開。而自然環(huán)境中超過99%的微生物進(jìn)行人工培養(yǎng)，無法通過培養(yǎng)方式研究其性質(zhì)及其與環(huán)境的作用關(guān)系[4]。這些不可培養(yǎng)微生物類似物理學(xué)中的“暗物質(zhì)”，它的存在不能被直接觀測(cè)到。

為了繼續(xù)研究微生物“暗物質(zhì)”，傳統(tǒng)的培養(yǎng)技術(shù)以及精準(zhǔn)的一代測(cè)序技術(shù)已經(jīng)“落伍”，全新的以組學(xué)為研究單位探究微生物特征的技術(shù)，尤其是高通量測(cè)序技術(shù)的發(fā)展，迎來了以“微生物組(Microbiome)”為主題的研究領(lǐng)域。微生物組是指在特定環(huán)境中存在的所有微生物類群以及它們的遺傳信息，即微生物在生物本身以及生態(tài)環(huán)境方面的特征，還有微生物與環(huán)境之間的復(fù)雜關(guān)系。

土壤是生態(tài)系統(tǒng)最重要的組成部分之一，在微生物組計(jì)劃中占有十分重要地位。土壤微生物組(Soil Microbiome)研究的核心內(nèi)容主要是在特定土壤中的微生物群落與其棲息環(huán)境的功能關(guān)系及其協(xié)同演化規(guī)律[2]。

3 土壤微生物組的研究狀況

3.1 土壤微生物相關(guān)項(xiàng)目計(jì)劃

1995年，“土壤生物多樣性”作為新內(nèi)容首次寫進(jìn)DIVERSITAS計(jì)劃新方案。1997年，英國宣布實(shí)施進(jìn)行“土壤生物多樣性研究計(jì)劃”，120多個(gè)科學(xué)家投身于該計(jì)劃，并設(shè)計(jì)開展了30個(gè)相關(guān)重要研究項(xiàng)目，通過分子生物學(xué)手段研究土壤生物多樣性及功能。以此計(jì)劃為基礎(chǔ)，培養(yǎng)造就了一批國際領(lǐng)先的土壤微生物學(xué)家并且提升了土壤微生物的研究水平，同時(shí)，引起國際社會(huì)對(duì)土壤微生物的重要性的廣泛關(guān)注(表1)[2]。

在我國，微生物組相關(guān)研究得到科技主管部門及科研工作者的高度重視。國家自然科學(xué)基金委、科技部和中國科學(xué)院等多部門牽頭啟動(dòng)啟動(dòng)了多項(xiàng)土壤微生物組相關(guān)科研項(xiàng)目。尤其是中國科學(xué)院分別在2014年和2017年啟動(dòng)了“土壤微生物系統(tǒng)功能及其調(diào)控”和“微生物組計(jì)劃”，大力提升了我國在土壤微生物組領(lǐng)域的研究水平。

3.2 中國知網(wǎng)搜索數(shù)據(jù)

中國知網(wǎng)(https://www.cnki.net/)是世界學(xué)術(shù)論文收錄最廣和最權(quán)威的數(shù)據(jù)庫之一。通過知網(wǎng)的檢索結(jié)果，可直觀表現(xiàn)某一領(lǐng)域發(fā)展趨勢(shì)。中國知網(wǎng)中搜索“土壤微生物”，結(jié)果顯示，包括中英文在內(nèi)的全部數(shù)據(jù)中相關(guān)學(xué)術(shù)期刊數(shù)據(jù)約4.84萬條、相關(guān)學(xué)位論文7565份、相關(guān)會(huì)議926場(chǎng)、相關(guān)報(bào)紙35條信息、相關(guān)圖書907本、相關(guān)專利1109件、相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)36條、相關(guān)成果162個(gè)，共找到約59.3萬條結(jié)果。

表1 土壤微生物相關(guān)項(xiàng)目計(jì)劃

在中國知網(wǎng)數(shù)據(jù)庫新版網(wǎng)頁中主題菜單下搜索“土壤微生物”，其內(nèi)部附有近年來相關(guān)成果趨勢(shì)的統(tǒng)計(jì)顯示圖，如圖1所示土壤微生物研究成果的發(fā)表基本上是一個(gè)呈線性增長(zhǎng)、逐年遞增的趨勢(shì)。與此同時(shí)，搜索“土壤微生物組”，其相關(guān)成果發(fā)表趨勢(shì)如圖2，近兩年呈急速上升的姿態(tài)。近2年土壤微生物組的研究引起了人們的注意，雖然數(shù)量不多，但關(guān)于土壤微生物的研究已經(jīng)向組學(xué)方向發(fā)展。

圖1 中國知網(wǎng)數(shù)據(jù)庫近10年“土壤微生物”相關(guān)成果數(shù)量

圖2 中國知網(wǎng)數(shù)據(jù)庫近10年“土壤微生物組”相關(guān)成果數(shù)量

在中國知網(wǎng)數(shù)據(jù)庫中主題菜單下搜索“土壤微生物”相關(guān)發(fā)表成果的國內(nèi)來源機(jī)構(gòu)，前十名按其相關(guān)成果數(shù)量排序，見表2。

中國作為農(nóng)業(yè)大國，十分重視土壤的相關(guān)研究。土壤是農(nóng)業(yè)之根本，而土壤微生物是土壤諸多成員中的重要角色。因此，有眾多基金支持該類研究項(xiàng)目，在中國知網(wǎng)數(shù)據(jù)庫中搜索“土壤微生物”相關(guān)主題，相關(guān)資助基金來源數(shù)量如表3所示。

表2 中國知網(wǎng)數(shù)據(jù)庫中“土壤微生物”相關(guān)文獻(xiàn)的來源機(jī)構(gòu)

表3 中國知網(wǎng)數(shù)據(jù)庫中“土壤微生物”相關(guān)

匯總并梳理“土壤微生物組”相關(guān)的各類文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)人們對(duì)其多樣性的關(guān)注最多，特別是在微生物群落結(jié)構(gòu)及其分布與土壤環(huán)境的關(guān)系方面，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)土壤微生物的群落分布與溫度、pH值、地勢(shì)、土壤類型、地區(qū)、季節(jié)、施肥措施、金屬污染等具有相關(guān)性[3]。由于中國地貌繁多、范圍廣闊，各類研究層出不窮，其基礎(chǔ)數(shù)據(jù)測(cè)定已趨于成熟，而土壤微生物組相關(guān)研究終究都是為了推動(dòng)人類社會(huì)生產(chǎn)發(fā)展、維持人與自然和諧穩(wěn)定，因此，在新時(shí)代應(yīng)將研究重點(diǎn)放打在土壤微生物組的功能上。

4 總結(jié)與展望

土壤是人類生存之根本，尤其中國又是農(nóng)業(yè)大國，醫(yī)療健康、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境保護(hù)、全球變化、跨學(xué)科研究、聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)都是土壤微生物組關(guān)注的具體方向。因此土壤中的微生物對(duì)于土壤本身、植物以及物質(zhì)循環(huán)過程的影響值得人們深入研究。目前關(guān)于土壤微生物的研究大多數(shù)還是集中在其種系多樣性及群落結(jié)構(gòu)上，但這只能算是土壤微生物研究的第一步，今后，在多樣性研究的基礎(chǔ)方面，更應(yīng)該多聚焦在其機(jī)制機(jī)理以及可對(duì)地球、人類做出有益貢獻(xiàn)的內(nèi)容上。

雖然現(xiàn)在對(duì)于土壤微生物的關(guān)注熱度不低，但目前還是有許多問題等待解決。

(1)關(guān)于土壤微生物，通常人們傾向于研究其多樣性以及其空間分布特征，還有微生物的空間分布與環(huán)境因素關(guān)系，但缺少時(shí)間層面的專項(xiàng)研究比較。時(shí)間層面的動(dòng)態(tài)變化有助于我們深入了解微生物的演替對(duì)全球生態(tài)系統(tǒng)的影響[5]。

(2)原生生物是微生物的重要組成部分，可改善土壤營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)和調(diào)節(jié)周邊細(xì)菌和真菌的功能作用。但是縱觀全世界，相較于土壤細(xì)菌和真菌，原生生物的相關(guān)研究要少得多[6]。

土壤微生物組的研究之路還很長(zhǎng)，中科院發(fā)布的中國微生物組計(jì)劃才剛剛開始。未來，在大量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)測(cè)定和數(shù)據(jù)匯總的基礎(chǔ)上，有待優(yōu)秀的科學(xué)家、研究者們進(jìn)一步開發(fā)新的研究技術(shù)手段，并且深入研究土壤微生物組多樣性、其功能基因產(chǎn)物的作用和機(jī)制以及其環(huán)境功能的可調(diào)性，從而為人類社會(huì)進(jìn)步增添動(dòng)力，為人與自然和諧共處貢獻(xiàn)巨大力量。