微生物是地球最早出現(xiàn)的生命形式，這種簡(jiǎn)單而古老的生命決定了地球演化的方向和進(jìn)程，推動(dòng)了土壤的發(fā)生和發(fā)育，孕育了人類的文明。事實(shí)上，土壤中蘊(yùn)藏的巨大微生物多樣性，被稱為地球關(guān)鍵元素循環(huán)過(guò)程的引擎，是聯(lián)系大氣圈、水圈、巖石圈及生物圈物質(zhì)與能量交換的重要紐帶，維系著人類和地球生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展。

　　地球“微生物暗物質(zhì)”

　　近30年來(lái)，隨著各種先進(jìn)物理化學(xué)手段的出現(xiàn)，特別是高通量測(cè)序技術(shù)的指數(shù)式發(fā)展，土壤微生物學(xué)成為地球科學(xué)與生命科學(xué)的新興學(xué)科增長(zhǎng)點(diǎn)和交叉前沿，蘊(yùn)藏于土壤中的巨大微生物多樣性被認(rèn)為是地球元素循環(huán)的引擎，而每克土壤中數(shù)以億萬(wàn)計(jì)的微生物中，高達(dá)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(zhì)”。

　　這些海量的微生物與復(fù)雜的土壤環(huán)境總稱為土壤微生物組（Soil Microbiome），是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)藥衛(wèi)生和環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域的核心資源之一，已經(jīng)成為新一輪科技革命的戰(zhàn)略高地，得到了世界各國(guó)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(huán)境的總稱

　　核心研究?jī)?nèi)容

　　特定土壤中微生物群落的協(xié)同演化規(guī)律及其環(huán)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(tài)與環(huán)境功能。首先，微生物是土壤-植物系統(tǒng)中生源要素遷移轉(zhuǎn)化的引擎，土壤中有機(jī)質(zhì)的分解與積累，氮素轉(zhuǎn)化（包括生物固氮）等過(guò)程無(wú)不與微生物的活動(dòng)密切相關(guān)。這也是傳統(tǒng)土壤微生物學(xué)研究的重點(diǎn)，這些研究主要圍繞元素轉(zhuǎn)化速率、養(yǎng)分利用率、與相關(guān)土壤酶活性及功能基因的關(guān)系等進(jìn)行。

　　2 土壤微生物組是地球污染物消納的凈化器，通過(guò)生物轉(zhuǎn)化深刻影響土壤中污染物賦存的形態(tài)和歸宿，是土壤具有消納污染物功能的關(guān)鍵。對(duì)于有機(jī)污染物而言，通過(guò)微生物的代謝和共代謝過(guò)程，污染物得以轉(zhuǎn)化或徹底分解礦化。

　　3 土壤微生物組是全球變化的調(diào)節(jié)器，通過(guò)影響元素生物地球化學(xué)過(guò)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(jìn)地球增溫，如驅(qū)動(dòng)生態(tài)系統(tǒng)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(lái)源。

　　4 土壤微生物組是維系陸地生態(tài)系統(tǒng)地上-地下相互作用的紐帶。土壤微生物組是陸地生態(tài)系統(tǒng)植物多樣性和生產(chǎn)力的重要驅(qū)動(dòng)者，直接參與了植物獲得養(yǎng)分和土壤養(yǎng)分循環(huán)兩個(gè)過(guò)程。

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

　　近年來(lái)，天然結(jié)構(gòu)抗生素的發(fā)現(xiàn)進(jìn)入瓶頸期，隨著微生物培養(yǎng)技術(shù)、宏基因組學(xué)及高通量篩選方法的發(fā)展，人們?cè)俅螌⒛抗饩劢褂趶奶烊划a(chǎn)物中發(fā)現(xiàn)新型抗生素。

　　1946年美國(guó)科學(xué)家賽爾曼·瓦克斯曼從土壤鏈霉菌中發(fā)現(xiàn)了鏈霉素，并獲得了1952年諾貝爾獎(jiǎng)。

　　20世紀(jì)70年代中期，美國(guó)科學(xué)家威廉·坎貝爾和日本科學(xué)家大村智發(fā)現(xiàn)了阿維菌素這一高效抗寄生蟲(chóng)藥，并獲得了2015年諾貝爾獎(jiǎng)。

　　國(guó)際研究發(fā)展趨勢(shì)

　　英國(guó)

　　1997年，英國(guó)啟動(dòng)了“土壤生物多樣性研究計(jì)劃”，組織120余位科學(xué)家參與并設(shè)置了30個(gè)研究項(xiàng)目，采用分子技術(shù)研究土壤生物多樣性及其功能，特別是發(fā)展了穩(wěn)定性同位素示蹤復(fù)雜環(huán)境中生物標(biāo)記物（PLFA/DNA/ RNA）技術(shù)（Stable Isotope Probe），培養(yǎng)造就了一批迄今活躍在國(guó)際土壤生物學(xué)前沿的著名科學(xué)家，土壤生物多樣性的重要性逐漸引起國(guó)際社會(huì)的關(guān)注。 

　　中國(guó)

　　我國(guó)科技主管部門(mén)長(zhǎng)期以來(lái)高度重視土壤微生物相關(guān)研究。國(guó)家自然科學(xué)基金委2011年啟動(dòng)了相關(guān)重大項(xiàng)目，針對(duì)稻田土壤關(guān)鍵生物地球化學(xué)過(guò)程與環(huán)境功能，開(kāi)展了土壤微生物生態(tài)學(xué)機(jī)理研究。2014年科技部啟動(dòng)了“973”基礎(chǔ)性研究項(xiàng)目“作物高產(chǎn)高效的土壤微生物區(qū)系特征及其調(diào)控”。同年，中科院?jiǎn)?dòng)了“土壤-微生物系統(tǒng)功能及其調(diào)控”戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)，開(kāi)展土壤微生物組研究。同時(shí)期，中科院和國(guó)家自然科學(xué)基金委也啟動(dòng)了“土壤生物學(xué)”學(xué)科發(fā)展戰(zhàn)略研究項(xiàng)目。

　　美國(guó)

　　2016年5月13日，美國(guó)總統(tǒng)科學(xué)技術(shù)政策辦公室與相關(guān)政府機(jī)構(gòu)和私人基金會(huì)共同頒布了一項(xiàng)新的國(guó)家計(jì)劃——國(guó)家微生物組計(jì)劃（National Microbiome Initiative）。這成為奧巴馬政府在腦科學(xué)計(jì)劃、精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)計(jì)劃和抗癌癥計(jì)劃后的又一個(gè)重大國(guó)家戰(zhàn)略行動(dòng)，代表著促進(jìn)科技創(chuàng)新和經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的一個(gè)新領(lǐng)域。

　　該計(jì)劃的目標(biāo)是研究不同環(huán)境中微生物組的功能及其利用前景，涵括人體、土壤、海洋、大氣等環(huán)境中的全部微生物個(gè)體及其功能，為解決21世紀(jì)人類面臨的農(nóng)業(yè)、能源、環(huán)境、海洋和氣候等重大問(wèn)題提供新的思路和途徑。該計(jì)劃首次把微生物研究提高到國(guó)家戰(zhàn)略地位，表明微生物組研究已經(jīng)成為新一輪國(guó)際科技革命的戰(zhàn)略高地。

　　前沿科學(xué)問(wèn)題

　　國(guó)際土壤微生物組學(xué)面臨的前沿科學(xué)問(wèn)題可概括為4個(gè)主題：

　　1 土壤微生物多樣性形成與維持機(jī)制

　　土壤微生物多樣性的理論與認(rèn)知

　　土壤微生物多樣性的起源與演化

　　土壤微生物多樣性的共存機(jī)制

　　2 土壤元素循環(huán)的微生物驅(qū)動(dòng)機(jī)制

　　土壤關(guān)鍵元素循環(huán)的微生物作用機(jī)理

　　土壤關(guān)鍵過(guò)程的微生物生理驅(qū)動(dòng)機(jī)制

　　土壤微生物組功能變異的環(huán)境驅(qū)動(dòng)機(jī)制

　　3 土壤微生物組的資源與環(huán)境功能

　　土壤微生物組的資源潛力

　　土壤微生物組介導(dǎo)的地上-地下耦聯(lián)機(jī)制

　　土壤微生物介導(dǎo)的食物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及功能

　　4 土壤微生物組的新技術(shù)及應(yīng)用

　　土壤微生物組學(xué)技術(shù)

　　土壤微生物組原位表征技術(shù)

　　土壤微生物組資源調(diào)控技術(shù)

　　未來(lái)研究戰(zhàn)略目標(biāo)

　　土壤微生物組的研究依賴于跨學(xué)科交叉的理念和先進(jìn)技術(shù)的支撐。未來(lái)（2025年前后）我國(guó)土壤微生物組的戰(zhàn)略目標(biāo)主要有：

　　繪制主要生態(tài)系統(tǒng)土壤微生物資源圖，建立國(guó)際一流的環(huán)境格局-土壤微生物組整合分析數(shù)據(jù)庫(kù)和平臺(tái)；

　　研究土壤微生物組的形成與演化、關(guān)鍵物質(zhì)與能量循環(huán)的微生物機(jī)制、土壤微生物組資源發(fā)掘與定向調(diào)控，突破地球科學(xué)和生命科學(xué)交叉前沿的重大問(wèn)題，為解決21世紀(jì)我國(guó)面臨的農(nóng)業(yè)、能源、醫(yī)療和工業(yè)相關(guān)的重大問(wèn)題提供支撐。

　　土壤微生物組服務(wù)于人類生產(chǎn)生活和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展是其永恒不變的主題。土壤微生物組的研究已經(jīng)超越了單一微生物、單一土壤要素、單一微觀過(guò)程的傳統(tǒng)理念，而是將微生物群落及其棲息環(huán)境的相互作用作為一個(gè)整體，從地球科學(xué)的宏觀角度調(diào)控土壤過(guò)程的農(nóng)業(yè)和生態(tài)環(huán)境功能，從分子生物學(xué)的微觀尺度發(fā)掘海量微生物資源在醫(yī)療健康、工業(yè)生產(chǎn)等方面的巨大潛力。

　　因此，功能研究是新形勢(shì)下土壤微生物組能力建設(shè)的核心，其主要技術(shù)路徑和能力建設(shè)包括以下6方面：

　　土壤微生物組與醫(yī)療健康

　　土壤微生物組與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)

　　土壤微生物組與環(huán)境保護(hù)

　　土壤微生物組與全球變化

　　土壤微生物組與跨學(xué)科研究

　　土壤微生物組與聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)

　　土壤、水、大氣被認(rèn)為是人類生存與發(fā)展的核心資源。然而，傳統(tǒng)的土壤微生物組研究主要服務(wù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，特別是近30年來(lái)，學(xué)術(shù)界對(duì)土壤微生物組的理論認(rèn)知發(fā)生了翻天覆地的變化，其應(yīng)用前景得到了各國(guó)政府的高度重視，成為新一輪科技革命的戰(zhàn)略制高點(diǎn)之一。目前，國(guó)際土壤微生物組的多樣性、描述性研究已臻成熟，相關(guān)研究面臨著從數(shù)量向質(zhì)量轉(zhuǎn)變的歷史機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

　　（朱永官，中科院城市環(huán)境所所長(zhǎng)，研究員）