发布日期：2020-03-09 14:00

The ISME Journal (2015)：Cross-kingdom similarities in microbiome functions

微生物组功能的跨界相似性

医学研究的最新进展揭示了人类如何依靠其微生物组来获得不同的特性和功能。同样，其他高等生物的微生物组在其宿主的疾病、健康、生长和发育中起着关键作用。探索不同界的微生物组功能，对理解维持真核生物生命的微生物组组装和微生物过程的共同机制和概念，具有巨大的潜力。肠道和植物根际都是开放的系统，大面积的表面积内充满了微生物。尽管微生物组成存在明显差异，但这两个生态系统在与营养获取、免疫系统调节和预防感染有关的微生物组功能方面具有显著的相似性。我们还讨论了人类和植物如何交换微生物，是好是坏。我们认为，采用生态学理论，结合模拟和合成微生物生态系统，为鉴定真核生物中微生物组装配所涉及的宿主性状和线索提供了一种有前途的策略。

大量微生物生活在真核生物的细胞组织中，从而影响宿主的功能和进化。微生物组的概念，即微生物的群落集合，它们的基因组和相互作用，最初是指居住在人体内的微生物。从那时起，许多研究采用这个术语来描述与其他哺乳动物、昆虫、鱼类或植物相关的微生物群落。

对于人类来说，微生物组显著促进新陈代谢，并提供人类不需要自己进化的功能。因此，存在于人类微生物组中的基因被认为是第二基因组。植物也依赖其微生物组来获得特定的特性和功能，包括营养获取和对（非）生物胁迫因子的耐受性。在人体微生物组中，胃肠道中微生物的密度最高，在这里“它们合成必需的氨基酸和维生素，并处理对我们饮食不可消化的成分，如植物多糖”。同样地，微生物大量定殖于植物根际，即植物根系周围狭窄区域的土壤，不断受到植物根系通过营养物质和其他化合物的渗出影响。在这种情况下，根际被视为“肠子由内向外”。

包括下一代测序、生物信息学和代谢组学在内的技术进步使人们能够更详细地分析与宿主联系过程中的微生物组结构和功能。在哺乳动物中，微生物组的结构与宿主系统发育、饮食、感染和医学干预有关。各种研究表明，植物的微生物组结构也取决于寄主基因型、土壤特性、施肥、病原菌感染和杀虫剂的施用。虽然人类的饮食是肠道微生物的主要来源，但植物根系上的微生物主要是从种子发芽和植物生长的土壤中选择的。此外，对于哺乳动物和植物来说，微生物组的一些成员可能是从母亲那里遗传来的。

根际和哺乳动物肠道细菌群落之间的比较表明，尽管相对丰度不同，但这两个生态系统主要由相同的四个细菌门（厚壁菌、拟杆菌、变形杆菌、放线菌）构成。较低层次的分类显示微生物群组成不同，这可能与肠道和根际的氧利用率差异相关。在这两个生态系统中，微生物组结构的稳定性对其宿主的功能和健康至关重要（图1）。干扰健康个体的微生物组结构，也被称为生态失调，可导致特定功能的改变。

例如，哺乳动物肠道中厚壁菌与拟杆菌比率的变化会影响能量获取的能力和肥胖，而多样性的降低则与炎症性肠病有关。在根际，变形杆菌和放线菌的相对丰度与防治真菌病原体感染有关。因此，在人类和植物微生物群的研究中，对“健康微生物群”的定义和特征都有着强烈的兴趣。这一基本知识将使治疗走向“再生”，也就是说，生态失调后重建一个健康，复杂的微生物组。值得注意的是，用于重新建立肠道健康微生物组的粪便移植在根际研究中也有类似的技术。类似于通过粪便细菌疗法治疗人类腹泻，将所谓的疾病抑制土壤移植到非抑制（易感）土壤可以恢复植物对土壤真菌和细菌感染的保护。因此，粪便细菌治疗和土壤移植有着相同的理论基础，都是为了恢复平衡的“健康”微生物组。

图1人体肠道和植物根际微生物组生命维持功能的共性