重新认识微生物组：从定义到应用

01 从微生物到微生物组和组学研究的简要历史

02 微生物组的起源与命名

03 微生物群的起源与命名

04微生物组的其它命名与共识

05从“微生物组”到“微生物群系”---微生物组的中国声音

06微生物群系的成员与环境

07 微生物菌株，特别是益生菌稳定性的重要性

“微生物组”（microbiome）这个词现在非常热门，而对“微生物群系”（microbiome）这个词还比较陌生。许多人都问了一个关键问题：“它是什么意思？” 一个相关的问题是——“这个词从何而来？”

历史上，微生物群落（Microbial communities）的研究是微生物生态学领域的一部分，兴起于环境微生物组研究（微生物生态学），并为许多领域，例如农业、食品科学、生物技术、生物经济、数学（信息学、统计学、建模）、植物病理学，提供了一个跨学科的平台。特别是人类医学，在人体内发现的大量微生物群落扩展了这一领域的范围。随着关于共生微生物在人类疾病中的作用的证据不断积累，微生物组（微生物群系）医学已成为生物医学研究的一个新兴领域。该领域旨在利用人体微生物群和其衍生的分子来预防和治疗。然而，要实现这一目标，需要全面了解人体微生物群的分类和功能组织。

过去二十年来，微生物组（microbiome）知识的进步不仅在科学界，而且在公众中都成为了一个热门话题。最近有大量证据表明，共生细菌与人类疾病有关，这为生物医学研究开辟了一个新的领域：微生物医学。这个新兴领域旨在理解和利用人体微生物群及其衍生分子来预防和管理疾病。因而成为新医学治疗的一个充满希望的领域。

有人曾把人体微生物组甚至视为我们的“最后一个器官”。在过去的十几年中，旨在直接从整个宏基因组测序数据中重建微生物基因组的基因组解析宏基因组学取得了显著进展，并继续揭示各种与人类相关的微生物群落的奥秘。正如人类基因组及其变异的解码标志着基因组医学时代的开始一样，解密共生微生物的基因组及其序列变异正在引领我们进入微生物组医学时代。此时，重温微生物组定义也是十分必要的，拥有一个明确的定义并不能单独解决科学问题。然而，缺乏明确的术语定义可能会模糊讨论。

01 从微生物到微生物组和组学研究的简要历史

微生物组研究领域起源于微生物学，始于17世纪。一直以来的一个批评是，微生物组研究更多的是由方法（新技术和设备）的发展驱动的，而不是由假设或概念驱动的。有趣的是，许多技术发明以这种方式推动了微生物学研究，并导致我们对健康和疾病的理解发生了范式转变（图1）。例如，现在认为所有真核生物都是元生物体，并且必须将其与微生物组一起视为一个不可分割的功能单元，由此将其扩展到“元宿主”的概念。这一概念还考虑了这样一个事实，即病原体只占微生物的一小部分；多样性丧失可能导致所谓的“菌群失调”，即微生物组成分的改变，这会对免疫系统产生级联影响，并为病原体的出现和爆发提供优势。

由于传染病在整个历史的大部分时间里影响了人类，而食品微生物学也是一个古老的经验应用领域。因此，医学微生物学是最早的研究和公众关注的焦点。

安东尼·范·列文虎克（Antonie van Leeuwenhoek）在17世纪使用显微镜发现并报告了各种形状的细菌、真菌和原生动物，他称之为小动物，主要来自水、泥土和牙菌斑样本，并发现了生物膜，作为微生物在复杂群体中相互作用的第一个迹象。第一台显微镜的发展使得发现了新的、未知的世界，并导致了微生物的鉴定。对以前看不见的世界的访问使17世纪的研究人员睁开了眼睛和思想（图1、2）。

罗伯特·科赫（Robert Koch）将人类和动物疾病的起源解释为微生物感染的结果，并发展了病原性的概念，这是微生物学的一个重要里程碑。这些发现将研究界和公众的焦点转移到微生物作为疾病的形成因子，需要被消除。然而，过去一个世纪的综合研究显示，只有一小部分微生物与疾病或病原性有关；绝大多数微生物对于生态系统功能至关重要，并且与其它微生物以及大型生物体之间存在有益的相互作用而闻名（图1）。

图1 从17世纪70年代至今的微生物组研究历史，重点是从微生物作为导致疾病的非社会性生物体到微生物是整体健康概念（One Health Concept）中心的范式转变：积极互联我们生活的所有领域。

在19世纪末，微生物生态学开始于马丁努斯·W·贝耶林克（Martinus W. Beijerinck）和谢尔盖·N·维诺格拉茨基（Sergei N. Winogradski）的开创性工作（图1）。新建立的环境微生物学科学导致了另一个范式转变：微生物在自然环境中无处不在（alles isoveral: maar het milieu selecteert Everything is everywhere, but, the environment selects），通常与宿主相关联，并且首次报告了对宿主的有益影响。随后，微生物以单个细胞形式存在的概念开始改变，因为越来越明显的是，微生物发生在复杂的集合体中，其中物种相互作用和通信对于种群动态和功能活动至关重要。1953年DNA的发现、测序技术的发展、PCR和克隆技术的出现，使得使用非培养的、基于DNA和RNA的方法研究微生物群落成为可能（图2）。

1977年，随着Sanger测序技术的出现（图2），卡尔·沃斯（Carl Woese）和乔治·E·福克斯（George E.Fox）提出原核生物包括细菌（原称真细菌）和古菌（原称古细菌）。引入了系统发育标记，如16S rRNA基因，用于微生物群落分析（图1、2）。1990年，Carl Woese正式提出“生命的三域学说”，古菌被确认为与细菌和真核生物并列的第三种生命形式。今天，我们能够在它们的自然栖息地中为细菌、古菌、真菌、藻类和原生生物打上条形码。

图2 从测序到组学

本世纪初，另一个主要的范式转变开始并持续至今，因为新的测序技术和积累的序列数据突显了微生物群落与高等生物体相关联的普遍性以及微生物在人类、动物和植物健康中的关键作用。这些新的可能性已经彻底改变了微生物生态学，因为通过高通量方式分析基因组和宏基因组提供了在自然栖息地中研究单个微生物以及整个微生物群落的潜在功能的有效方法。包括宏转录组、宏蛋白组或代谢组学方法在内的多组学技术现在提供了关于环境中的微生物活动的详细信息（图1）。基于丰富的数据基础，微生物培养在过去30年中经常被忽视或低估，现在已经获得了新的重要性，高通量培养组学现在是研究微生物组的重要工具之一。结合多种“组学”技术分析宿主-微生物相互作用的高潜力和巨大力量在几十篇综述中得到了突出展示（图1、2）。

02 微生物组的起源与命名

对于人类微生物组，一个成年人可以携带多达38万亿个微生物，这些微生物调节着健康、免疫功能、生殖功能和疾病预防（图3）。因此，对于它们的称呼随着技术的进步和人们对它们认识的不断加深，出于多种原因导致，某些术语和短语的事实起源，包括它们可以如何被潜移默化地融入到由文化决定的科学写作中。微生物组和微生物群的起源命名也是如此！

关于“microbiome”和“microbiota”的起源和定义，在过去20多年一直存在争议，争议的焦点是：谁”创造“或”定义“了这些词？

2017年，Prescott撰文说，科学本身就是一种寻求真理的指南针。一些术语的早期起源以及谁在何时说了什么？这不是一个语义问题，缺乏事实参考可能会掩盖过去的重要且高度相关的发现。“microbiome”和“microbiota”的误引和误归因就是一个明显的例证。关于“microbiome”一词的起源……根据无数重复的学术文章，它被认为是由诺贝尔奖得主约书亚·莱德伯格（Joshua Lederberg） “创造”（coined）的。当然，“创造”与帮助一个术语形成其当前形式是不同的……毫无疑问，现在知道了，Lederberg对后者做出了贡献。

至于microbiome这个词的起源时间，看看英文的起源时间就知道了。至于是谁首先使用的，未知。往后看，“microbiome”一词在19世纪就有使用，似乎是来自意大利语的《妇产科鉴》）。1949年，法语论文PH在肠道微生物群演变中的作用中使用了“microbiome”一词，但没有给出任何定义。

一种观点认为，由于microbiome “微生物组”一词源于“omics”家族的术语，因此应该用来描述微生物物种的集体基因组（collective genomes of microbial species），而生物体本身的集合应该被称为“微生物群落”（collection of organisms themselves should be termed "microbiota."）。尽管这一观点听起来很有道理，但“微生物组”一词实际上并不是“omics”命名方案的衍生物，如前所述，因为在“omics”之前就已经有了microbiome这个词。因为我们已经找到更早的使用。例如，在1988年，华威大学（英国）教授John M.Whipps及其同事Karen Lewis和Roderic C.Cooke使用“微生物组”一词来描述特定环境中的微生物及其活动的集合。

1988年，Whipps及其同事在研究根际微生物生态学时，首次定义了microbiome一词。他们将microbiome描述为“micro”和“biome”两个词的组合，biome是生态学概念(as in community)，是指一个区域或生境内所有动植物的总和。而microbiome不是基因组OME (as in genomics)（如基因组）组合。从词源角度看，“Micro”（μικρος）意为小，而术语“biome”由希腊词bíos（βιος，生命）和“ome”（希腊语的英文化）组成（图3）。Biome前面加上代表微生物的前缀micro-，合起来的microbiome一词是指特定生境内的所有微生物的总和，即使用microbiome一词来描述特定环境中的微生物及其活动的集合，将“特征性微生物群落”命名为“在具有特定理化特性的相对明确的栖息地中的‘活动场所’”（图3、4）。有人认为，用microbiome来指代OMES和用microbiota来指代生物体（organisms）可能更清晰（图4）。

Whipps及其同事1988年原文是这样说的：“A convenient ecological framework in which to examine biocontrol systems is that of the microbiome. This may be defined as a characteristic microbial community occupying a reasonably well defined habitat which has distinct physio-chemical properties. The term thus not only refers to the microorganisms involved but also encompasses their theatre of activity.“即微生物组（microbiome）是指特定区域内微生物（微生物群（microbiota）、其基因以及其微环境（生活环境）的完整集合。因此，microbiome是一个生态学概念，而不是一个“组学”概念。

一句话，微生物组（microbiome）指微微生物群的基因和基因组，以及微生物群的产物与宿主环境。

日益增长的知识体系关于宿主基因组、微生物组和环境之间的关系有助于回答关于微生物进化和生态学在人类进化更广泛模式中的作用的基本问题。有人认为这是宏基因组（metagenome）的定义，宏基因组与环境一起构成微生物组。宏基因组一词是Handelsman等人于1998年首次使用，是指微生物群的基因和基因组，包括质粒、强调群体的遗传学潜能。类似的如宏蛋白质组学（Metaproteomics），Rodriguez-Valera于2004年首次提出，并由Wilmes和Bond于2006年完善。又如宏代谢组学（Metabonomics），该术语是代谢组学（metabolomic）的变体，避免了由Jeremy Nicholson于2006年定义的元代谢组学（meta-metabolomics）的笨拙使用。

Whipps及其同事的这个定义代表了微生物群落定义的一个重大进步，因为它定义了一个具有特定性质和功能的微生物群落及其与环境的相互作用，从而形成了特定的生态位。然而，在过去的几十年里，还有许多其他的微生物组定义。目前被引用最多的是诺贝尔奖得主约书亚·莱德伯格（Joshua Lederberg）定义的，他在生态学背景下描述了微生物组，即在身体空间或其他环境中共生 、共栖和致病的微生物群落。

图3 Microbiome/microbiota词义的区别和口腔、皮肤、肠道和阴道系统的微生物群组成，以及分娩方式对新生儿微生物群落的影响。

03 微生物群的起源与命名

Microflora（“微生物群”）一词长期以来一直在科学和医学文献中使用。然而，其定义并不能证明其用于与人类（即microbiota）相关的微生物群落（microbial communities）的合理性。随着时间的推移，其定义发生了演变，但在20世纪初仍然定义为“显微镜下的植物，或微生境中的植物或植物群”。Flora（植物群）的定义可以追溯到17世纪中叶，其起源可以追溯到拉丁语“Flora”，即罗马花神，以及拉丁语“flor”，意为花。这些定义及其起源清楚地表明，“微生物群”（microflora）指的是植物（plants），而不是微生物（microbes）。虽然一些词典现在为微生物群（microflora）包括了第三个定义，即“通常发生在人体和其他动物体内的细菌、真菌和其他微生物的总和：肠道菌群（intestinal flora），但这些新增加的定义是过去一个世纪滥用该词的结果，起因于对与人类相关的微生物的理解有限。因此，在本世纪初之前就有类似肠道菌群的两个描述（gut microbiota或gut microflora）。于是，有专家建议用microbiota（微生物群）来描述生活在微生境中的微生物集合。上海交通大学的赵立平教授在2023年的文章中说，2004年，国际微生物生态学会开始建议停止使用microflora一词，目前基本看不到这个词。就在microflora一词被microbiota替代的同时，microbiome一词开始在国外流行起来，并逐渐超过microbiota一词的使用频率（图4）。有趣的是，Flora起源于植物，但在文献中，“microflora”几乎专门用于指代与人类或动物相关的微生物群，而很少用于与环境相关的微生物群。然而，在面向大众的通俗文学或酸奶/益生菌广告中，“microflora”仍有其用武之地。

Lederberg在2001年首次定义了“微生物群”（microbiota）这个术语，Lederberg最初用这个术语来描述“共生、共栖和可能致病的微生物在人体内组成的生态系统”（ecological system of commensal, symbiotic, and perhaps pathogenic microorganisms that reside in the human body）。换话句话说，微生物群落（Microbial communities）通常被定义为生活在一起的微生物集合（collection of microorganisms），更具体地说，微生物群落被定义为多物种集合体，其中微生物在连续环境中相互作用。然而，这样的系统并非人类独有，而且我们每个人都有不止一个“微生物组系统”。因此，如今“微生物组”这个词指的是“生活在特定生态位中的微生物基因组集合”（collection of genomes of microorganisms living in a specific niche），而微生物群（group of microbes）本身则被称为“微生物群”（microbiota）。换句话说，我们体内有多个微生物组，微生物群在特定的环境中具有特殊性，例如在我们的口腔、鼻子、肠道，或者在我们的皮肤和身体其他许多生态位中存在不同的微生物群。

2004年，Lederberg在《新视角季刊》上发表的文章称，这些微生物实际上与我们共享身体空间，并且作为健康和疾病的决定因素几乎被忽视了。

从术语的词源看，“micro”和“biota”这两个词也源自古希腊语。微生物群它是“Micro”（μικρος，小）和术语“biota”（βιοτα）的结合，意为生态系统或特定区域的生物体（图3、4）。从技术的角度看，microbiota是采用16S rRNA基因测序（16S sequencing）或16S分析（16S analysis）来鉴别微生物的种类，16S中的“S”是沉降速率的非国际单位制单位，代表Svedberg单位。Svedberg单位提供了基于颗粒在承受高g力的中的移动速度的颗粒尺寸测量。细菌和古菌核糖体的小亚基是30S，由一个结构16S核糖体RNA与21个蛋白质结合而成。所以，16S rRNA是指编码细菌和古细菌核糖体小亚基的rRNA基因，长度约为1540个核苷酸。它在微生物分类学中作为标准，因为其序列高度保守且包含足够的系统发育信息。随着三代测序技术的应用（图2），分辨率已经从“属”和“种”到了“菌株”级别的提升：ASV（扩增子序列变体）替代OUT等算法与分析方法的革新，极大地提高了测序的精准度，实现了从分类到生态与宿主互作的研究。

一句话，微生物群（microbiota）是指特定环境中真实存在的一群微生物，如口腔微生物群、肠道微生物群等。

图4 微生物、微生物群和微生物组的区别以及microbiota和microbiome的使用频率

04 微生物组的其它命名与共识

2015年，Marchesi和Ravel在他们的定义中关注了在特定环境及其主导的生物和非生物条件下微生物（和病毒）基因组和基因表达模式以及蛋白质组。认为元基因组与环境一起构成微生物组。微生物组的特点是应用一个或多个元基因组学、代谢组学、元转录组学和元蛋白质组学的组合，并结合临床或环境”元数据”。然而，还有其它的许多微生物组定义，如基于生态学的其它定义、生物体/宿主依赖性定义、基因组学/方法驱动的定义以及综合定义等（具体见原文Microbiome.2020 Jun 30;8:103.）。所有这些定义都意味着宏观生态学的通用概念可以很容易地应用于微生物与微生物以及微生物与宿主的相互作用。然而，许多当前的定义未能捕捉到特别是与微生物彼此之间以及与宿主生物和非生物环境的多样化相互作用层次关系，也就是说，当前的定义未能捕捉到这种复杂性，并将微生物组描述为仅包含微生物基因组。例如，有人提出了两个微生物组的定义：一个描述元基因组，另一个描述微生物群落，但仍然未能将宿主和环境作为微生物组的一个整体生态组成部分，而不是一个独立的实体。为此，2019年，一个国际专家小组在欧洲资助的MicrobiomeSupport项目的框架下讨论了当前存在的差距。

2020年，Gabriele Berg等人总结了“MicrobiomeSupport”研讨会内容，关于微生物组一词的各种观点是讨论的核心部分。认为Whipps等人的原始定义仍然是捕捉微生物组复杂性和其生态学及进化生物学多样方面的最全面的定义：“微生物组是一个方便的生态框架，可以用来研究生物控制系统。这可以定义为占据一个相对明确定义的栖息地的特征微生物群落，该栖息地具有独特的生理和化学特性。因此，该术语不仅指涉及到的微生物，还包括它们的活跃场所 …“这个术语指的是整个栖息地，包括微生物（细菌、古菌、低等和高等真核生物以及病毒）、它们的基因组（即基因）以及周围的环境条件。这个定义是基于“生物群落”的定义，即特定环境中的生物和非生物因素。为此，研讨会参与者提出了对原始的Whipps等人定义进行澄清和修改的建议。这些修改涉及（1）微生物组成员，（2）微生物组成员之间的相互作用以及现有微生物网络内的相互作用，（3）微生物组在其环境中的空间和时间特征，（4）核心微生物群，（5）从功能预测转向物种的表型，以及（6）微生物组与宿主或环境的相互作用和共同进化。

术语微生物组有时也与元基因组（metagenome）混淆。然而，元基因组被明确定义为微生物群落成员的基因组和基因的集合。2024年，Ma等人提出“细胞-微生物共生态模型”，将宿主定义（元宿主模型）扩展到包括生微生物（图5）。

图 5 原始宿主（传统宿主模型）和元宿主（生态宿主模型）。元宿主用于描述在微生物进入后，在定植、易感性和对微生物的致病性方面表现出明显差异的传统宿主。

这种现象是适应性基因组与先天性基因组动态整合的结果，并符合生态学观点。

2025年，Den Bossche等人为微生物组和蛋白质组学研究人员提供了实用的指南，代谢组学（Motetapreomics）是研究微生物组的一种新兴方法，能够表征不同生态系统中微生物功能的基础蛋白质。作为微生物组的主要催化和结构成分，蛋白质提供了微生物群落活跃过程和生态角色的独特见解。通过将代谢组学与其他组学学科相结合，研究人员可以全面了解微生物生态学、相互作用和功能动态。图6中明显的区分了微生物群和微生物组。

图6 该图突出了元蛋白质组学在识别蛋白质量化其丰度、检测翻译后修饰（PTMs）、绘制蛋白质-蛋白质相互作用（PPIs）和确定蛋白质定位中的作用。元蛋白质组学与其他学方法（包括元基因组学、元转录组学和代谢组学）相辅相成，以全面了解微生物系统。微生物组研究领域包括人类组（口腔、皮肤等）、动物微生物组（农场、野生和实验室动物）、环境微生物组（土壤和海洋）和特殊来源（例如，古代微生物组样本）。

05 从“微生物组”到“微生物群系”---微生物组的中国声音

Whipps及其同事最初的设想是微生物组（microbiome）不仅包括微生物群落（community of the microorganisms），还包括它们的“活动场所”（theatre of activity），即，微生物组=微生物群+活动场所（microbiome=microbiota+ theatre of activity）（图7）。因此，有学者认为“microbiome”应成为一个组学词汇（omics word），而不是一个生物群落词汇（biome word）。而“microbiota”应当成为一个生物群落词汇（biome word）。2015年，Marchesi等人认为“microbiota”这个词足以描述微生物群落的组成和丰富程度，无论它们居住在人体或环境中。如此，如果你快速浏览一篇论文或标题，你可能会更好地猜测它是什么。

2005年10月，赵立平教授代表我国参加了在巴黎举行的国际大科学计划的圆桌会议（Roundtable on International Human Metagenome Project）。会议起草发布了“人类元基因组计划巴黎宣言”,准备尽快成立国际联盟,应会议组织方邀请，赵立平教授负责协调中国地区的人类元基因组计划相关的活动。赵立平教授在生命科学（2023, 53(5):746-750.）撰文说，会前，在陈竺院士的支持下，邀请杨胜利、赵国屏以及李兰娟等人进行了讨论，与会专家认为参与正在酝酿中的国际大科学计划对于中国相关科学的发展很重要，讨论决定组织一个中国的联盟,China Consortium for Human Gut Metagenome (metaGUT)。在确定联盟中文名称的时候,他们讨论了metagenome的中文译名。Metagenome这个词最早在1998年由Jo Han delsman和Bob Goodman等人提出,标志着摆脱培养技术的限制,直接对微生物群落的结构和功能加以研究的时代的到来。“当时也有人将“metagenome”译为“宏基因组”,这种译法将meta的本意理解为“宏大”. 我们认为,metagenome更多地强调对人体内所有共生微生 物的综合测序和研究,中文译名强调“综合”比强调“宏大”更贴近metagenome的本意.考虑到meta-analysis一 词中的meta与metagenome中的meta都有综合的意思,而“meta-analysis”中文译作“元分析”,我们决定将“metagenome”译为“元基因组”” 赵立平讲述了当时的情况。这就是中文元基因组的由来。

2007年,中国的第一个肠道元基因组项目metaGUT以中法双边合作的方式启动。同年，欧盟启动了人体肠道元基因组学(Metagenomics of the Human Intestinal Tract, metaHIT)计划，美国NIH启动了Human Microbiome Project (HMP)（2001年美国人率先提出，2007年启动）。值得注意的是，美国专家使用了microbiome来代表人体共生微生物，并没有采用metagenome这个概念。2005~2007年间,“在讨论国际联盟的名称时,大家一致同意使用microbiome一词, 而不是metagenome，其中一个很重要的原因是metagenome会把这个研究领域局限在以测序为主的基因组的范畴里,而使用microbiome就可以更好地把功能相关的研究也包括进来”。

2008年,在德国海德堡欧洲分子生物学实验室（European Molecular Biology Laboratory，EMBL）组织的一次会议上，来自世界各地的科学家宣布成立国际人类微生物组联盟（International Human Microbiome Consortium，IHMC），这一努力将使研究人员能够描述人类微生物组在维持健康和疾病中的关系。参加这次会议的赵立平教授说：“所有这些活动都需要我们给microbiome一个中文译名. 我们几乎毫不犹豫地一致同意将“microbiome”翻译为“微生物组”，我当时对“微生物组”这个译名也颇为得意，我甚至还对microbiome的后缀做了分析, 认为是“-ome”,即“总和”的意思, 前面加一个词,就代表某某事物的总和，microbiome就是所有微生物的基因和产物的总和。所以,将“microbiome”翻译为“微生物组”是非常贴切的”。从此，microbiome有了一个正式的中文名字---微生物组。

从把“microbiome”正式翻译为“微生物组”算起,至今已经超过15个年头。2021年6月19–20日，中国科学院学部举办了以“微生物组与大健康”为主题的“科学与技术前沿论坛”，多位院士专家达成了将“microbiome”中文译名由“微生物组”更改为“微生物群系”这一共识。

为什么现在要把“microbiome”的中文译名“微生物组”改成“微生物群系”呢?

2023年的时候赵立平和邓子新教授有几点总结：

首先，Microbiome是特定环境或者生态系统中群居的所有微生物成员的遗传信息和代谢能力的集合,其本意不仅指该生境中的全部微生物, 同时还囊括它们所有的活性，microbiome并不是一个-ome为后缀的组学词汇，从词汇学的角度看, microbiome是由micro-和biome两个部分组成。Biome是生态学的概念,是指一个生境或者区域内所有动植物的总和,中文多翻译为“生物群系”，在biome前面加micro-这个代表微生物的前缀,合起来的microbiome是指一个特定生境内所有微生物的总和。因此, microbiome是一个生态学词汇,不是一个组学词汇。从词汇学的角度就字面意义进行翻译,应该译为“微生物群系”,而不是“微生物组”。若只从基因组学的观念和思路出发,限制了人们对Microbiome更深入的认识,也延迟了Microbiome成果进入临床应用的进程。为了正本清源、恢复Microbiome作为生态学概念的地位,寻求Microbiome领域超越基因组研究的进一步突破,在领域内多位专家的共同呼吁下,将Microbiome中文译名更改为“微生物群系”,以凸显微生物群体与生态系统相互关系的学科内涵。这样的更名,有利于将“微生物群系学”发展成为一门将微生物生态系统自身丰富的遗传及代谢功能,与特定环境中的其他生命体或环境因子发生互利或相克作用作为 研究对象的新兴前沿学科。将Microbiome视为生态系统将完全改变人们用大规模测序和多组学分析手段研究该复杂体系的策略,一系列的理论进展和技术突破 也必将如雨后春笋般出现在人们的视野中。

其次, microbiome最早提出来的时候就是作为生态学概念来使用的。见前文。

最后,不再将microbiome看作是一个由很多微生物的基因组构成的“微生物组”, 而是要将其看做一个“微生物群系”.这是用组学方法研究microbiome中一 个非常重要的范式转变(paradigm shift)。 如果microbiome是微生物群系,它最基本的结构和功能单位就是“基因组”, 不是基因, 也不是“种”“属”或者“科”之类的分类单元。这是因为,一个基因组代表一个独特的微生物。

2023年，联合国粮食及农业组织(粮农组织)明确将microbiome译为“微生物群系”，强调微生物群系存在于植物、动物、土壤、森林和海洋等所有生态系统中乃至人类体内，并围绕农药残留、微塑料、兽药残留对肠道微生物群系和人类健康的影响。

06 微生物群系的成员与环境

迄今为止，对人体微生物组整体理解已被广泛而经典的综述所总结。当涉及到特定术语的使用时，微生物组和微生物群之间的明确区分有助于避免关于微生物组成员的争议（图7）。微生物组和微生物群这两个术语的词源和区别在图3中解释。微生物群通常被定义为在特定环境中存在的活微生物的集合。作为噬菌体、病毒、质粒、朊病毒、类病毒和游离DNA通常不被认为是活的微生物，它们不属于微生物群（图4、7）。现在看来，它们属于微生物群系。

图7 中的“活动场所”（theatre of activity）涉及微生物产生的所有分子，包括其结构元素（核酸、蛋白质、脂质、多糖）、代谢物（信号分子、毒素、有机和无机分子）以及由共存宿主产生的分子和由周围环境条件决定的分子。因此，所有可移动的遗传元件，如噬菌体、病毒以及“遗迹”和细胞外DNA，都应包括在微生物群系术语中，但不属于微生物群落的一部分（图7）。

尽管越来越多的术语，如“细菌组”、“古菌组”、“真菌组”或“病毒组”，开始出现在科学文献中，但这些术语并不像微生物群系本身那样指代生物群系（一个具有独特（微）生物群和物理环境的区域生态系统）。因此，最好使用原始术语（细菌、古菌或真菌群落）。与可以单独研究的微生物群不同，微生物群系始终由所有成员组成，这些成员相互影响，生活在同一栖息地，并共同形成它们的生态位。

此外，考虑方法学以区分DNA和活生物体及其环境是很重要的。以前的研究，关于是否将来自死亡细胞的细胞外DNA---所谓的“遗迹DNA”（relic DNA）---归属于微生物组，也没有明确的共识。遗迹DNA在土壤中测序的DNA中可占到40%，在更广泛的栖息地分析中平均占33%，在某些样本中最高可达80%。有趣的是，尽管遗迹DNA无处不在且含量丰富，但它对分类学和系统发育多样性的估计影响极小。然而，在应用如16SDNA测序时，由于不能区分死活，所以推测的功能也是不准确的。如前所述，微生物群系是特定环境或者生态系统中群居的所有微生物成员的遗传信息和代谢能力的集合,其本意不仅指该生境中的全部微生物, 同时还囊括它们所有的活性。意味着，微生物群系至少是指活的有代谢能力的微生物群落。

图7 示意图突出了术语微生物群系（包含微生物群落（微生物群落）及其“活动场所”（结构元素、代谢物/信号分子以及环境条件））的组成。尽管图片来自2020年，但仍能说明微生物群系的内涵。

07 微生物菌株，特别是益生菌稳定性的重要性

微生物群系由多种微生物组成，包括细菌、古生菌、真菌和病毒，高度复杂，即使在小样本中通常也包含数千个物种和数十亿个细胞。除了物种多样性，它们还表现出显著的遗传异质性，由核心基因组和质粒、转座子等可移动遗传元件的差异驱动。这些可移动元件通过传播抗生素耐药性等特征来影响微生物的性质和生态系统动态，将无害物种转化为多重耐药性病原体（图8）。检测这些元件并捕捉微生物基因组的全部遗传多样性对于构建准确的基因组图谱和理解遗传异质性如何影响微生物群系的性质至关重要。

当前的物种定义基于生物体之间的DNA同源性，如通过DNA-DNA杂交揭示的“超过70%的DNA相似性”，或由Goris及其同事推荐的平均核苷酸同一性。与真核生物类似，微生物菌株或生态型是分类学和功能的基础。因此，定义的菌株的稳定性，特别是作为益生菌的稳定性成为最关键的问题所在，主要是因为水平基因转移（horizontal gene transfer，HGT）的频繁发生（图8）。HGT是由移动遗传元件（如质粒、噬菌体和转座子）从一个菌株转移到另一个菌株引起的，导致不可避免的基因组变化，并强烈影响菌株的稳定性。然而，忽视菌株水平可能会导致数据的错误解释，因为微生物菌株之间存在本质的功能差异（图8），例如不同地区来源的益生菌可能存在基因水平的差异，由此也会影响益生菌的潜在功能或作用（图8）。同样，由于HGT的作用，粪菌移植供体的本地化是值得思考的问题之一。此外，在微生物菌株中定义具有生态意义的种群对于识别它们在环境相关和宿主相关微生物组中的作用很重要。

如前所述，一个基因组代表一个独特的微生物.这个基因组的拷贝数反映这个微生物的丰度。当微生物通过竞争、合作等生态互作在生态群系中的丰度发生改变时,它们的基因组种类和拷贝数就会发生 变化.当微生物的细胞数量升高或者降低时,它们基因组中的所有基因会以完全一致的方式变化, 因此,单个基因不具有自主的生态学行为, 而是完全受制于它所在的基因组。同一个功能基因如果被两个相互竞争的细菌携带,其丰度的变化就完全相反,例如,对人体健康非常重要的短链脂肪酸的产生基因就是被生态行为差异很大的细菌携带. 因此,不能直接以基因为单位研究其变化与疾病的关系,而是要把所有的基因都回归到其所在的基因组中后,以基因组为单位去研究每个细菌与疾病的关系.有了这个对microbiome基本构成单位的新认识,人们在应用基因组学技术研究microbiome时就会发生研究策略的根本变化.

单细胞测序技术克服了这些挑战，它在大多数情况下将优于元基因组测序，并提供目前缺失的功能，包括完整的单微生物分辨率细胞图谱和菌株或单细胞水平的基因注释。它还揭示了细胞和噬菌体之间的物理关联，为微生物菌株动力学提供了见解。

新的DNA测序技术正在彻底改变我们对肠道微生物群的理解，并导致更多促进健康的物种的识别，以及预测它们的代谢途径，途径可以帮助确定如何更具体地促进其生长。图8是观察到的益生菌潜在机制的例子。

图8 左图：水平基因转移的机制，对菌株的稳定性至关重要。右图：观察到的益生菌潜在机制的例子。益生菌微生物的应用范围与各种可能的机制有关。在任何给定时间，可能有多种机制处于活跃状态。可能需要同时存在几种机制才能实现特定的健康益处。

25-8-19日于济南

主要参考文献

Microbiome.2020 Jun 30;8(1):103.

Exp Mol Med.2024 Jul;56(7):1501-1512.

Clin Microbiol Infect.2012;18:2–4.

Microbiome. 2019;7:5.

ISME J.2015;9:1905–7.

Gut. 2019;68:1108–14

Microb Biotechnol.2020 Mar;13(2):423-434

Microb Biotechnol.2020 Mar;13(2):423-434

Nat Biotechnol.2013;31:277.

mBio. 2017;8:e01492–17.

Science. 2018;362:33–4.

科学网,One Health（4）微生物---3000年前我们的祖先记录并做了什么？https://blog.sciencenet.cn/blog-526326-1439136.html

科学网,One Health（5）发酵的古代起源https://blog.sciencenet.cn/blog-526326-1465788.html

科学网,微生物之父列文虎克与diertgena和animalcule及其进化https://blog.sciencenet.cn/blog-526326-1423654.html

Signal Transduct Target Ther.2024 Sep 23;9(1):237.

Nat Rev Microbiol.2007 Aug;5(8):647-51.

FEMS Microbiol Rev.2012 Mar;36(2):364-79.

Nat Microbiol.2022 Apr;7(4):482-483.

Cell. 2002;109:421–4.

Proc Natl Acad Sci U S A.1977 Nov;74(11):5088-90.

Front Microbiol. 2022;13:931058

Nature Protocols 2016；11：2049–2053

Curr Opin Microbiol. 2018;44:20–7.

Nature. 2012;489:220–30.

Nat Rev Microbiol. 2018;16:410–22.

Proc Natl Acad Sci U S A.2012 Jan 24;109(4):1019-21.

Front Microbiol.2025 Mar 18:16:1550749.

Microbiome. 2015;3:31. 

Imeta. 2025 May 6;4(3):e70031. 

mBio. 2018;9:e00637–e00618.

Gut Microbiome (Camb). 2024 Nov 29;5:e11. 

Adv Sci (Weinh). 2025 Jun 3;12(27):2409338.

Int J Syst Evol Microbiol. 2007;57:81–91. 

mSystems. 2018;3e00190-17. 

Human Microbiome Journal，2017, Volume 4, 24-25

Chem Biol. 1998;5(10):R245–R249

microbiol.china 2024, 51(10):4270-4291

生命科学, 2023, 53(5): 746-750.

中国科学: 生命科学, 2023, 53(5): 553-555.