当代生物科学交叉融合共同发展的必然趋势

——2006加拿大第56届微生物学/第49届遗传学联合年会

杨顺楷

                        四川    成都

摘  要：本文记述了2006年加拿大第56届微生物学（CSM）/第49届遗传学（GSC）联合年会的概况，作为生物科学领域理学科的微生物学和遗传学，如何在促进学科交叉融合共同发展的方向上，促进二者的整合上做了一次学术交流沟通的有益尝试；这为消除学科界限，探讨在微生物学和遗传学研究领域面临的共同综合性复杂性问题，实现从系统生物学到生命工程的研究开发，即理论与实际应用的关系，都给人以深刻的启迪，这是当代生物科学理学科交叉融合共同发展的必然趋势，这些都对我国的生命科学工作者、政府高管人士、教育界及科研院所、产业界人士具有重要的参考借鉴价值

关键词：生物学科的整合  微生物学及遗传学  元基因组学  应用与环境微生物基因组学  细胞微生物学  生命科学中的复杂性

1.     前言

相继开始于1950年、1957年的加拿大微生物学工作者协会（CSM）、加拿大遗传学会（GSC）学术年会活动各自历经了56、49个春秋后，于2006年夏在安大略省伦敦市的西安大略大学校园举行了联合学术年会，立体交叉的开展了各个层面的学术交流活动，体现了在后基因组时代生命科学是应该如何从系统生物学演进到生命工程的，即理论与实际应用的关系特别是在生物科学的重要理学分支学科微生物学和遗传学领域，正在出现交叉融合共同发展的趋势，出现了若干构思巧妙新的研究手段及方法学，例如，元基因组学（metagenomics）在过去十多年应运而生并得到发展；据称应用传统的微生物平板分离培养技术，仅能将自然环境中1％的细菌在实验室中进行纯培养物研究；自然环境中尚有99％的细菌不能在现行传统微生物学实验室，借助传统平板分离纯培养物的方法进行研究；这就隐含了研究自然环境中细菌的生物多样性，及这部分（99％）细菌基因的生态学功能的可能性；在这方面，元基因组学的手段是分离多样性原始基因的有力手段。作为生命科学的基础学科的遗传学，也在后基因组时代经历了革命性的变化，它涵盖的范围也从经典遗传学、生理生化遗传学或细胞遗传学演进到分子遗传学的新时代，其标志就是以人染色体全基因组测序的完成，表明人体基因组是由3120000000核苷酸，23000个基因，100000转录物所组成的庞大生物分子信息库。新世纪里生命科学家、遗传学家正在解读这些分子遗传物质，即开展功能基因组学的研究，以破解生命的奥秘。在这一背景下，笔者有幸参加了这一届联合年会，现将有关会议情况介绍如下。

2.     会议组织形式及主要内容介绍

由加拿大CSM和GSC联合召开的这次年会，由大会组委会提出了一个整合性的，促进遗传学和微生物学联合，消除学科界限，共同探讨感兴趣论题的年会；加之，来自加拿大和美国的许多科学家的见解在会上的交流，将有助于沟通启迪当代全球性的，在微生物学和遗传学研究领域，所面临的综合性问题。

会议由3位资深科学家的大会报告及5位杰出中青年学者的分组专题报告；CSM-GSC 7个联合讨论会，以及GSC的8个平台报告（Platform presentation）所组成；对应于专题讨论会，CSM还含有12位学生论文报告比赛；其余的论文分别由CSM和GSC组织了共240篇左右的墙报论文展讲交流；6月21日最后的晚宴上，CSM举行了有约300人参加的学会定期换届及颁发各类奖项的活动。

表1  三位资深科学家及其报告题录说明

表2  五位杰出中青年学者及其学术活动简介

表3  CSM-GSC 7部分联合专题报告分类目录

从表3CSM-GSC 7个部分联合专题报告可以看出，当今的后基因组时代，微生物学和遗传学在分子细胞生物学水平已很难区分，它们学科间的界限已经模糊，这从应用与环境生物学角度来看，无疑给研究者带来了开展创新课题的较宽泛选择空间。现摘出两位发言人的报告内容摘要介绍如下：

其一，来自美国加州某公司的Philipp Kapranov，报告的题目是：人转录物组学隐含的复杂性。通常人们把分子生物学看作是作为RNA的分子中介，在DNA编码的基因和最终的功能蛋白产物间所发生事件的科学领域。在不编码蛋白组区域或不涉及顺式-作用调控活性基因组区域，最多不过是可以看作产生新功能（蛋白）结构域介导进化实验的位点；最次的情况即为无用DNA。但是，最近经由数种不同的技术手段，开展的客观实验调查发现：在芥子植物、蚯蚓、苍蝇、鼠和人的基因组，存在大部分的非蛋白编码区，它们均以调控方式进行转录，分辨力为5bp的人基因组转录作图表明，转录时用人基因组是高度复杂的，这种复杂性在多个层次上表现出来。

首先，大部分转录基因组都超出已知的注释范围。

其次，基因组单个碱基对（bp）可能部分具有多个编码或非编码转录物，其呈现交错（叠加）/反义型的转录物的多态型；该转录物同分离基因和反义-剪接转录物的外显子结合在一起。

第三，人转录物组的复杂性还在于细胞内转录物的区室化作用，已发现大部分在核和细胞液中Poly A⁺和Poly A^-转录物为排他性的。

第四，大部分人转录物组由Poly A^-转录物所组成

作者声称，该研究结果可能挑战现行理念观点，即人基因组仅有1～5％执行编码功能，这些观察结果是如何能改变我们的理解水平；由人基因组的信息又是如何组构，以及应当如何演绎推论，都是应当深入地研究。

其二，Eric J.Mathur（EO Wilson生物多样性基金会）作了有关“生物多样性，元基因组学及来自自然界的工业产品”的专题报告。12年前，他和Jay M.Short成立了一家公司，从事由未经培养的微生物回收生物分子的新假说为研究目标。该工作开拓了一个新的领域，即现在称为元基因组学，初期的目的是建立重组子，发展非依赖性的培养技术，它能在超高通量速率水平克隆、表达、优化和商业化开发这些独特和有价值的生物分子。有关从未培养微生物克隆编码蛋白基因的策略，该团队建立了一个新的高通量培养物微生物平台，已能够从多样性的小生境分离并进行纯培养这些微生物，以前尚未分离培养出这些微生物。该公司独立地同大的基因组中心合作，包括同能源部的基因组研究所（JGI）和色雷拉（Celera）公司的联合，完成了对含水层带、热区环境、链霉菌属、Peligibater，纳古菌及其古菌宿主Ignicoccus的全基因组测序；同时还建立了一套关于微生物生境的功能基因组学、蛋白组学和比较元基因组学的方法，并且已经开始从事若干项大规模元基因组学的微生物调查工作，已有上千种酶在显著水平表达，并且已经优化数十种供商业化开发应用的酶，其中包括用于造纸和纸浆工业的木聚糖酶，用于玉米乙醇生产的淀粉酶；用于动物饲料添加剂的植酸酶和木聚糖酶，一种用于纺织品加工的果胶裂解酶，以及用于香味物质生产和药物合成的酯酶。最近，该实验室应用元基因组学方法从未培养的白蚁后肠微生物区系，建立起在生物分子水平操作的技术途径，实现用于生物质转化和替代能源方面的应用。

在专题报告的S-Ⅶ——环境和微生物基因组学的4个报告，阐述了怎样应用现代基因组学途径，深入了解微生物生态学，以及许多微生物生物技术治理开发的潜力。内容包括使用诊断性的分子序列鉴定显微真菌的新途径；特定生态环境（如哺乳类胃）中微生物基因组的适应性；微生物作为生物修复剂的巨大潜力，以及工程菌微生物的可行性。报告题录如下：

S-Ⅶ 1  农业生态系统总显微真菌的蕊片鉴别

S-Ⅶ 2  哺乳类消化道病原函门螺杆菌抗酸机制的基因组源剖析

S-Ⅶ 3  红球菌Sp.RHA 1：大的基因组，高效的分解代谢途径

S-Ⅶ 4  合成性生物学：朝向设计微生物功能细胞迈步

表4  GSC的8个平台报告题录

从表4看出来，果蝇作为现代遗传学研究对象仍然有十分重要的地位及应用价值。

表5  CSM 12位学生论文报告比赛题录

表5列出的12位学生的论文报告，都是事先由CSM教育委员会根据提交的详细论文摘要而遴选出来的参审论文，再结合会上的论文口头报告和摘要内容评选出3个奖项，每个奖项将会获得500加元的奖金及奖牌（状），以资鼓励青年学子的成长（均是在读研究生）。

3.     感想及体会

3.1  本次加拿大第56届微生物学工作者协会（CSM）暨第49届遗传学会（GSC）联合年会的成功顺利举行，有赖于会前周密地组织工作、参会者认真严肃的准备工作，诚信负责任地履行相关权利和义务，为保证本次大会的召开提供了基本条件；作为承办方的西安大略大学（生物系、医学院的微生物及免疫学系等）有一个精干、有效的会务组委会班子，并吸收青年志愿者参加；会议多方的赞助单位，为会议提供了经费支持，保障了大会得以顺利召开。

3.2  作为北美五大湖区的加国伦敦市，从历史的地缘关系角度看，的确同美国有密不可分的联系，“科学无国界”得到了较充分的体现，促进了加美两国生命科学工作者在微生物学和遗传学研究上充分地沟通和交流。它代表了当代全球该领域发展的先进方向，对我们有借鉴意义。

3.3  2006CSM和GSC联合学术年会的立体交叉，多层面多个学术研究领域的充分沟通交流，为发展生物学理学科（生命科学基础研究）前沿的交叉融合、共同发展，提供了创新思维的交流平台，有利于学科的整合。

3.4  学术会议是获取新知识、新技术、新方法的最好时机，从本次微生物学和遗传学年会上了解到了有关元基因组学（metagenomics）、细胞微生物学（cellular microbiology）、环境微生物基因组学及环境遗传学，如土壤放线菌红球菌降解外生化合物（芳香化合物）的多能性等。没有知识创新，不可能带来技术创新。

3.5  后基因组时代，在生命科学基础研究领域，要注意对不同研究层次（宏观、细胞及分子等）复杂性问题的综合性研究，要把传统的研究对象、材料，借助新手段新方法，进行深入地考察研究，获取新的知识，例如果蝇遗传学、小麦遗传学、地矿微生物学领域都是加拿大在全球很有影响的学术研究领域，值得借鉴。

3.6  在应用与环境微生物学领域，直接涉及科学问题、人类健康、工业及农业、环境等分枝领域的研究与开发课题，要结合国家及地域的社会经济发展的实际问题，立足已有的基础，建立人才团队（管理/课题）进行定向研发，才能取得同国内外同行直接对话、接轨的创新成果。例如，Phe生物合成研究新进展：拟南芥中Phe生物合成及Arogenate脱水酶的表征就是一个很好的例证。

当代生物科学交叉融合共同发展的必然趋势

——2006加拿大第56届微生物学/第49届遗传学联合年会

杨顺楷

                        四川    成都

摘  要：本文记述了2006年加拿大第56届微生物学（CSM）/第49届遗传学（GSC）联合年会的概况，作为生物科学领域理学科的微生物学和遗传学，如何在促进学科交叉融合共同发展的方向上，促进二者的整合上做了一次学术交流沟通的有益尝试；这为消除学科界限，探讨在微生物学和遗传学研究领域面临的共同综合性复杂性问题，实现从系统生物学到生命工程的研究开发，即理论与实际应用的关系，都给人以深刻的启迪，这是当代生物科学理学科交叉融合共同发展的必然趋势，这些都对我国的生命科学工作者、政府高管人士、教育界及科研院所、产业界人士具有重要的参考借鉴价值

关键词：生物学科的整合  微生物学及遗传学  元基因组学  应用与环境微生物基因组学  细胞微生物学  生命科学中的复杂性

1.     前言

相继开始于1950年、1957年的加拿大微生物学工作者协会（CSM）、加拿大遗传学会（GSC）学术年会活动各自历经了56、49个春秋后，于2006年夏在安大略省伦敦市的西安大略大学校园举行了联合学术年会，立体交叉的开展了各个层面的学术交流活动，体现了在后基因组时代生命科学是应该如何从系统生物学演进到生命工程的，即理论与实际应用的关系特别是在生物科学的重要理学分支学科微生物学和遗传学领域，正在出现交叉融合共同发展的趋势，出现了若干构思巧妙新的研究手段及方法学，例如，元基因组学（metagenomics）在过去十多年应运而生并得到发展；据称应用传统的微生物平板分离培养技术，仅能将自然环境中1％的细菌在实验室中进行纯培养物研究；自然环境中尚有99％的细菌不能在现行传统微生物学实验室，借助传统平板分离纯培养物的方法进行研究；这就隐含了研究自然环境中细菌的生物多样性，及这部分（99％）细菌基因的生态学功能的可能性；在这方面，元基因组学的手段是分离多样性原始基因的有力手段。作为生命科学的基础学科的遗传学，也在后基因组时代经历了革命性的变化，它涵盖的范围也从经典遗传学、生理生化遗传学或细胞遗传学演进到分子遗传学的新时代，其标志就是以人染色体全基因组测序的完成，表明人体基因组是由3120000000核苷酸，23000个基因，100000转录物所组成的庞大生物分子信息库。新世纪里生命科学家、遗传学家正在解读这些分子遗传物质，即开展功能基因组学的研究，以破解生命的奥秘。在这一背景下，笔者有幸参加了这一届联合年会，现将有关会议情况介绍如下。

2.     会议组织形式及主要内容介绍

由加拿大CSM和GSC联合召开的这次年会，由大会组委会提出了一个整合性的，促进遗传学和微生物学联合，消除学科界限，共同探讨感兴趣论题的年会；加之，来自加拿大和美国的许多科学家的见解在会上的交流，将有助于沟通启迪当代全球性的，在微生物学和遗传学研究领域，所面临的综合性问题。

会议由3位资深科学家的大会报告及5位杰出中青年学者的分组专题报告；CSM-GSC 7个联合讨论会，以及GSC的8个平台报告（Platform presentation）所组成；对应于专题讨论会，CSM还含有12位学生论文报告比赛；其余的论文分别由CSM和GSC组织了共240篇左右的墙报论文展讲交流；6月21日最后的晚宴上，CSM举行了有约300人参加的学会定期换届及颁发各类奖项的活动。

表1  三位资深科学家及其报告题录说明

表2  五位杰出中青年学者及其学术活动简介

表3  CSM-GSC 7部分联合专题报告分类目录

从表3CSM-GSC 7个部分联合专题报告可以看出，当今的后基因组时代，微生物学和遗传学在分子细胞生物学水平已很难区分，它们学科间的界限已经模糊，这从应用与环境生物学角度来看，无疑给研究者带来了开展创新课题的较宽泛选择空间。现摘出两位发言人的报告内容摘要介绍如下：

其一，来自美国加州某公司的Philipp Kapranov，报告的题目是：人转录物组学隐含的复杂性。通常人们把分子生物学看作是作为RNA的分子中介，在DNA编码的基因和最终的功能蛋白产物间所发生事件的科学领域。在不编码蛋白组区域或不涉及顺式-作用调控活性基因组区域，最多不过是可以看作产生新功能（蛋白）结构域介导进化实验的位点；最次的情况即为无用DNA。但是，最近经由数种不同的技术手段，开展的客观实验调查发现：在芥子植物、蚯蚓、苍蝇、鼠和人的基因组，存在大部分的非蛋白编码区，它们均以调控方式进行转录，分辨力为5bp的人基因组转录作图表明，转录时用人基因组是高度复杂的，这种复杂性在多个层次上表现出来。

首先，大部分转录基因组都超出已知的注释范围。

其次，基因组单个碱基对（bp）可能部分具有多个编码或非编码转录物，其呈现交错（叠加）/反义型的转录物的多态型；该转录物同分离基因和反义-剪接转录物的外显子结合在一起。

第三，人转录物组的复杂性还在于细胞内转录物的区室化作用，已发现大部分在核和细胞液中Poly A⁺和Poly A^-转录物为排他性的。

第四，大部分人转录物组由Poly A^-转录物所组成

作者声称，该研究结果可能挑战现行理念观点，即人基因组仅有1～5％执行编码功能，这些观察结果是如何能改变我们的理解水平；由人基因组的信息又是如何组构，以及应当如何演绎推论，都是应当深入地研究。

其二，Eric J.Mathur（EO Wilson生物多样性基金会）作了有关“生物多样性，元基因组学及来自自然界的工业产品”的专题报告。12年前，他和Jay M.Short成立了一家公司，从事由未经培养的微生物回收生物分子的新假说为研究目标。该工作开拓了一个新的领域，即现在称为元基因组学，初期的目的是建立重组子，发展非依赖性的培养技术，它能在超高通量速率水平克隆、表达、优化和商业化开发这些独特和有价值的生物分子。有关从未培养微生物克隆编码蛋白基因的策略，该团队建立了一个新的高通量培养物微生物平台，已能够从多样性的小生境分离并进行纯培养这些微生物，以前尚未分离培养出这些微生物。该公司独立地同大的基因组中心合作，包括同能源部的基因组研究所（JGI）和色雷拉（Celera）公司的联合，完成了对含水层带、热区环境、链霉菌属、Peligibater，纳古菌及其古菌宿主Ignicoccus的全基因组测序；同时还建立了一套关于微生物生境的功能基因组学、蛋白组学和比较元基因组学的方法，并且已经开始从事若干项大规模元基因组学的微生物调查工作，已有上千种酶在显著水平表达，并且已经优化数十种供商业化开发应用的酶，其中包括用于造纸和纸浆工业的木聚糖酶，用于玉米乙醇生产的淀粉酶；用于动物饲料添加剂的植酸酶和木聚糖酶，一种用于纺织品加工的果胶裂解酶，以及用于香味物质生产和药物合成的酯酶。最近，该实验室应用元基因组学方法从未培养的白蚁后肠微生物区系，建立起在生物分子水平操作的技术途径，实现用于生物质转化和替代能源方面的应用。

在专题报告的S-Ⅶ——环境和微生物基因组学的4个报告，阐述了怎样应用现代基因组学途径，深入了解微生物生态学，以及许多微生物生物技术治理开发的潜力。内容包括使用诊断性的分子序列鉴定显微真菌的新途径；特定生态环境（如哺乳类胃）中微生物基因组的适应性；微生物作为生物修复剂的巨大潜力，以及工程菌微生物的可行性。报告题录如下：

S-Ⅶ 1  农业生态系统总显微真菌的蕊片鉴别

S-Ⅶ 2  哺乳类消化道病原函门螺杆菌抗酸机制的基因组源剖析

S-Ⅶ 3  红球菌Sp.RHA 1：大的基因组，高效的分解代谢途径

S-Ⅶ 4  合成性生物学：朝向设计微生物功能细胞迈步

表4  GSC的8个平台报告题录

从表4看出来，果蝇作为现代遗传学研究对象仍然有十分重要的地位及应用价值。

表5  CSM 12位学生论文报告比赛题录

表5列出的12位学生的论文报告，都是事先由CSM教育委员会根据提交的详细论文摘要而遴选出来的参审论文，再结合会上的论文口头报告和摘要内容评选出3个奖项，每个奖项将会获得500加元的奖金及奖牌（状），以资鼓励青年学子的成长（均是在读研究生）。

3.     感想及体会

3.1  本次加拿大第56届微生物学工作者协会（CSM）暨第49届遗传学会（GSC）联合年会的成功顺利举行，有赖于会前周密地组织工作、参会者认真严肃的准备工作，诚信负责任地履行相关权利和义务，为保证本次大会的召开提供了基本条件；作为承办方的西安大略大学（生物系、医学院的微生物及免疫学系等）有一个精干、有效的会务组委会班子，并吸收青年志愿者参加；会议多方的赞助单位，为会议提供了经费支持，保障了大会得以顺利召开。

3.2  作为北美五大湖区的加国伦敦市，从历史的地缘关系角度看，的确同美国有密不可分的联系，“科学无国界”得到了较充分的体现，促进了加美两国生命科学工作者在微生物学和遗传学研究上充分地沟通和交流。它代表了当代全球该领域发展的先进方向，对我们有借鉴意义。

3.3  2006CSM和GSC联合学术年会的立体交叉，多层面多个学术研究领域的充分沟通交流，为发展生物学理学科（生命科学基础研究）前沿的交叉融合、共同发展，提供了创新思维的交流平台，有利于学科的整合。

3.4  学术会议是获取新知识、新技术、新方法的最好时机，从本次微生物学和遗传学年会上了解到了有关元基因组学（metagenomics）、细胞微生物学（cellular microbiology）、环境微生物基因组学及环境遗传学，如土壤放线菌红球菌降解外生化合物（芳香化合物）的多能性等。没有知识创新，不可能带来技术创新。

3.5  后基因组时代，在生命科学基础研究领域，要注意对不同研究层次（宏观、细胞及分子等）复杂性问题的综合性研究，要把传统的研究对象、材料，借助新手段新方法，进行深入地考察研究，获取新的知识，例如果蝇遗传学、小麦遗传学、地矿微生物学领域都是加拿大在全球很有影响的学术研究领域，值得借鉴。

3.6  在应用与环境微生物学领域，直接涉及科学问题、人类健康、工业及农业、环境等分枝领域的研究与开发课题，要结合国家及地域的社会经济发展的实际问题，立足已有的基础，建立人才团队（管理/课题）进行定向研发，才能取得同国内外同行直接对话、接轨的创新成果。例如，Phe生物合成研究新进展：拟南芥中Phe生物合成及Arogenate脱水酶的表征就是一个很好的例证。