撰文|617

微生物是地球生態(tài)系統(tǒng)的核心組成部分，廣泛分布于人體、動(dòng)物、海洋、陸地、人為環(huán)境等各類生境中，參與物質(zhì)循環(huán)、宿主健康調(diào)控等關(guān)鍵過程。然而，長(zhǎng)期以來，全球微生物組的研究多局限于單一生境或局部區(qū)域，缺乏對(duì)行星尺度上微生物組整體結(jié)構(gòu)、分布規(guī)律及跨生境交流機(jī)制的系統(tǒng)性解析。

2026年 2 月 4 日，歐洲分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室（EMBL）Michael Kuhn團(tuán)隊(duì)在Cell雜志上發(fā)表了題為Planetary microbiome structure and generalist-driven gene flow across disparate habitats的文章。該研究通過整合全球范圍內(nèi)的微生物組數(shù)據(jù)，構(gòu)建了首個(gè)行星尺度的微生物組聚類框架，揭示了不同生境微生物組的分布規(guī)律、泛化菌（generalists）的核心特征，以及其在跨生境水平基因轉(zhuǎn)移（HGT）中的關(guān)鍵作用，為理解全球微生物組的演化、生態(tài)功能及與人類健康的關(guān)聯(lián)提供了全新視角。

但是令人痛心且遺憾的是該論文的通訊作者、國(guó)際著名生物學(xué)家Peer Bork（1963-2026）教授不幸于近期逝世，享年62歲。他是生物信息領(lǐng)域的推動(dòng)者，也是微生物組的先驅(qū)科學(xué)家之一， 發(fā)表論文超過700篇，H指數(shù)高達(dá)257。他的代表性工作 成果 涉及蛋白質(zhì)序列分析、相互作用網(wǎng)絡(luò)以及微生物組學(xué)分析等 方向 ，包括我們耳熟能詳?shù)腟TRING、iTOL、eggNOG等數(shù)據(jù)庫(kù)與 研究 工具 。

圖片來自： https://www.embl.org/news/people-perspectives/remembering-peer-bork-obituary/

Peer Bork 教授的離去是科學(xué)界的巨大損失，但其留下的 研究成果 與 科學(xué)理論 將繼續(xù)為研究者們提供指引，相信這篇

Cell

為了在行星尺度上研究微生物組，作者收集并分析了不同生境的85,604個(gè)公開宏基因組樣本。為了 獲得最佳 的聚類 結(jié)果 ，作者測(cè)試了不同的輸入譜特征（分類學(xué)特征、功能特征、序列特征k-mer）、 多種 降維方法以及無監(jiān)督聚類方法，產(chǎn)生了超過206萬個(gè)模型參數(shù)組合。經(jīng)過綜合評(píng)估后，作者最終將全球微生物組劃分成40個(gè)核心生境類群（habitat cluster）。

這40個(gè)生境類群可以分為兩大類——宿主相關(guān)和環(huán)境相關(guān)，且不同類群受到特定因素驅(qū)動(dòng)：

（1）人體腸道微生物組： 主要受到年齡和生活方式的影響，比如成人和新生兒/嬰兒的腸道微生物組存在明顯差異，傳統(tǒng)生活方式（如狩獵采集）和現(xiàn)代工業(yè)化生活方式的人存在顯著差異。

（2）動(dòng)物腸道微生物組： 呈現(xiàn)高度的宿主特異性，靈長(zhǎng)類、豬的腸道菌群與人類腸道菌群更相似，而草食動(dòng)物（牛、馬）和嚙齒類的腸道菌群則與人類腸道菌群差異顯著，表明宿主的系統(tǒng)發(fā)育和飲食習(xí)性是驅(qū)動(dòng)動(dòng)物腸道微生物組組成的關(guān)鍵因素。

（3）海洋微生物組： 被 劃分為三個(gè)聚類，分別對(duì)應(yīng)高緯度、中緯度和低緯度 ， 主要受到溫度驅(qū)動(dòng)，其次是磷酸鹽和溶解氧。

該聚類框架還能有效識(shí)別樣本污染和未標(biāo)注生境 。 例如， 作者通過該方法發(fā)現(xiàn)了一個(gè) 被 錯(cuò)誤 標(biāo)記為海洋/淡水生境的樣本 ， 其人類DNA含量顯著高于其他水體樣本， 被該方法識(shí)別為 人體皮膚微生物組樣本 。

進(jìn)一步的分析發(fā)現(xiàn)， 不同生境的選擇壓力導(dǎo)致微生物在分類組成、功能特征和基因組特征上呈現(xiàn)差異，且功能組成比分類組成更具保守性。

在分類組成上，作者發(fā)現(xiàn)厚壁菌門（Firmicutes_A）和擬桿菌門（Bacteroidota）與宿主更為相關(guān)，而變形菌門（Proteobacteria）和放線菌門（Actinobacteriota）則更多存在于環(huán)境中。

在功能上，環(huán)境微生物在細(xì)胞過程和代謝功能上更豐富，體現(xiàn)出更高的代謝多樣性，而人體和動(dòng)物的腸道微生物則以厭氧菌為主，更擅長(zhǎng)利用蔗糖、乳糖等糖類物質(zhì)。

在基因組特征上，環(huán)境微生物呈現(xiàn)種內(nèi)高核苷酸多樣性，但泛基因組 相對(duì) 封閉，表明其更多通過點(diǎn)突變而非HGT適應(yīng)環(huán)境。相反，宿主相關(guān)微生物呈現(xiàn)種內(nèi)低核苷酸多樣性，并具有開放的泛基因組，表明其更依賴HGT獲得新功能。

在基因組大小上 ，宿主相關(guān)微生物的基因組大小上限約為3.5 Mbp，海洋微生物基因組更緊湊（<2.86 Mbp），而陸地微生物基因組更大（>3.84 Mbp），反映了不同生境下微生物的基因組優(yōu)化策略。

泛化菌 （generalists） 是指 在所有生境中均廣泛存在的微生物 ， 特化菌（specialist） 是指局限于特定生境的微生物 。

為了量化微生物的泛化能力（即適應(yīng)多種生境的能力），作者開發(fā)了一種泛化菌評(píng)分方法——該方法整合了類群的相對(duì)豐度，以及這些類群所出現(xiàn)的生境 類群 之間的生態(tài)距離。

作者 通過泛化菌評(píng)分發(fā)現(xiàn)， 僅4.6%的微生物為泛化菌（評(píng)分≥0.1），其余95.4%為特化菌（評(píng)分<0.1）。

與特化菌相比， 泛化菌具有更廣泛的溫度和pH耐受范圍，GC含量顯著更高，且物種形成速率更快 。 功能上，泛化菌 富集與有氧代謝相關(guān)的特征 （如有氧化學(xué)異養(yǎng)、葡萄糖氧化）， 擅長(zhǎng)降解塑料和芳香族化合物等低生物利用度物質(zhì) ，而特化菌則富集抗生素和聚酮化合物生物合成途徑，依賴次級(jí)代謝產(chǎn)物與同域物種競(jìng)爭(zhēng)。

接著，作者檢測(cè)了約200萬個(gè)微生物基因組（分離株和宏基因組組裝基因組MAGs）中的高置信度HGT事件，并結(jié)合生境聚類和泛化菌評(píng)分，分析HGT的跨生境規(guī)律 。

全球共檢測(cè)到84,049個(gè)高置信度HGT事件，其中97.62%發(fā)生在生態(tài)相似的生境間，主要發(fā)生在特化菌之間（64.4%），其次為泛化菌和特化菌（35.5%）；而2.38%的跨差異生境HGT事件，74.8%發(fā)生在泛化菌與特化菌之間，且泛化菌的參與比例隨生境間生態(tài)距離增加而顯著升高（Pearson相關(guān)系數(shù)r=0.589）。

其中， Pseudomonadaceae 、 Burkholderiaceae 和 Alteromonadaceae 貢獻(xiàn)了63%的跨差異生境HGT，是關(guān)鍵的“基因流動(dòng)載體”。

上述結(jié)果表明 ， 泛化菌作為能夠跨越生態(tài)和地理邊界的關(guān)鍵載體，可以促進(jìn)生態(tài)上不同的微生物生境間的HGT。

在確定泛化菌是生態(tài)上差異顯著的生境間HGT的主要載體后，接下來作者探究了人為生境微生物組在行星尺度微生物組圖景中的作用 ，因?yàn)樽髡甙l(fā)現(xiàn) 污水處理廠、建筑表面等人為生境，其微生物組在分類上接近宿主相關(guān)微生物組，在功能上接近環(huán)境微生物組，且泛化菌豐度極高。

結(jié)果顯示， 人為環(huán)境 顯著促進(jìn)了宿主相關(guān)與環(huán)境微生物組之間的基因交流 ：宿主與環(huán)境生境間的HGT極其罕見，而宿主與人為生境、人為環(huán)境與自然環(huán)境間的HGT中，分別有58.2%和81.5%涉及泛化菌 ，也再次證明泛化菌在跨生境HGT事件中的重要性。

最后 ， 作者深入研究了與人類健康密切相關(guān)的耐藥基因，通過HGT檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，耐藥基因的跨生境傳播并非隨機(jī)，而是主要依賴泛化菌介導(dǎo)的HGT。

作者 還 重點(diǎn)識(shí)別出一個(gè)“推定的多藥耐藥島（Putative multidrug resistance island）”，該耐藥島可通過泛化菌，在宿主腸道微生物與環(huán)境微生物之間實(shí)現(xiàn)跨生境傳播。更重要的是，該耐藥島攜帶對(duì)WHO定義的“Watch類”（需重點(diǎn)監(jiān)測(cè)的抗生素，如頭孢類）和“Reserve類”（備用抗生素，用于多重耐藥感染）抗生素耐藥 的 基因，其跨生境傳播可能導(dǎo)致臨床耐藥菌的產(chǎn)生和擴(kuò)張 。

綜上，該研究通過海量數(shù)據(jù)整合和創(chuàng)新方法構(gòu)建，首次繪制了行星尺度微生物組的聚類圖譜，解碼了不同生境微生物組的分布規(guī)律和特征，明確了泛化菌作為跨生境基因流動(dòng)核心載體的關(guān)鍵作用，以及人為生境在其中的“橋梁”功能。該研究不僅完善了微生物生態(tài)與演化理論，還為抗生素耐藥性防控、環(huán)境治理和微生物資源挖掘提供了重要的理論支撐和實(shí)踐線索，開啟了行星尺度微生物組研究的新范式。

https://doi.org/10.1016/j.cell.2025.12.051

制版人： 十一

學(xué)術(shù)合作組織

（*排名不分先后）

戰(zhàn)略合作伙伴

（*排名不分先后）

轉(zhuǎn)載須知

【原創(chuàng)文章】BioArt原創(chuàng)文章，歡迎個(gè)人轉(zhuǎn)發(fā)分享，未經(jīng)允許禁止轉(zhuǎn)載，所刊登的所有作品的著作權(quán)均為BioArt所擁有。BioArt保留所有法定權(quán)利，違者必究。

BioArt

Med

Plants

人才招聘

近期直播推薦

點(diǎn)擊主頁推薦活動(dòng)

關(guān)注更多最新活動(dòng)！