微生物是地球最早出現的生命形式，這種簡單而古老的生命決定了地球演化的方向和進程，推動了土壤的發(fā)生和發(fā)育，孕育了人類的文明。事實上，土壤中蘊藏的巨大微生物多樣性，被稱為地球關鍵元素循環(huán)過程的引擎，是聯(lián)系大氣圈、水圈、巖石圈及生物圈物質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”

　　近30年來，隨著各種先進物理化學手段的出現，特別是高通量測序技術的指數式發(fā)展，土壤微生物學成為地球科學與生命科學的新興學科增長點和交叉前沿，蘊藏于土壤中的巨大微生物多樣性被認為是地球元素循環(huán)的引擎，而每克土壤中數以億萬計的微生物中，高達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”。

　　這些海量的微生物與復雜的土壤環(huán)境總稱為土壤微生物組（Soil Microbiome），是工農業(yè)生產、醫(yī)藥衛(wèi)生和環(huán)境保護等領域的核心資源之一，已經成為新一輪科技革命的戰(zhàn)略高地，得到了世界各國政府的高度重視。

　　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

　　核心研究內容

　　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)中生源要素遷移轉化的引擎，土壤中有機質的分解與積累，氮素轉化（包括生物固氮）等過程無不與微生物的活動密切相關。這也是傳統(tǒng)土壤微生物學研究的重點，這些研究主要圍繞元素轉化速率、養(yǎng)分利用率、與相關土壤酶活性及功能基因的關系等進行。

　　2 土壤微生物組是地球污染物消納的凈化器，通過生物轉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鍵。對于有機污染物而言，通過微生物的代謝和共代謝過程，污染物得以轉化或徹底分解礦化。

　　3 土壤微生物組是全球變化的調節(jié)器，通過影響元素生物地球化學過程，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地球增溫，如驅動生態(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)植物多樣性和生產力的重要驅動者，直接參與了植物獲得養(yǎng)分和土壤養(yǎng)分循環(huán)兩個過程。

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

　　近年來，天然結構抗生素的發(fā)現進入瓶頸期，隨著微生物培養(yǎng)技術、宏基因組學及高通量篩選方法的發(fā)展，人們再次將目光聚焦于從天然產物中發(fā)現新型抗生素。

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

　　20世紀70年代中期，美國科學家威廉·坎貝爾和日本科學家大村智發(fā)現了阿維菌素這一高效抗寄生蟲藥，并獲得了2015年諾貝爾獎。

　　國際研究發(fā)展趨勢

　　英國

　　1997年，英國啟動了“土壤生物多樣性研究計劃”，組織120余位科學家參與并設置了30個研究項目，采用分子技術研究土壤生物多樣性及其功能，特別是發(fā)展了穩(wěn)定性同位素示蹤復雜環(huán)境中生物標記物（PLFA/DNA/ RNA）技術（Stable Isotope Probe），培養(yǎng)造就了一批迄今活躍在國際土壤生物學前沿的著名科學家，土壤生物多樣性的重要性逐漸引起國際社會的關注。 

　　中國

　　我國科技主管部門長期以來高度重視土壤微生物相關研究。國家自然科學基金委2011年啟動了相關重大項目，針對稻田土壤關鍵生物地球化學過程與環(huán)境功能，開展了土壤微生物生態(tài)學機理研究。2014年科技部啟動了“973”基礎性研究項目“作物高產高效的土壤微生物區(qū)系特征及其調控”。同年，中科院啟動了“土壤-微生物系統(tǒng)功能及其調控”戰(zhàn)略性先導科技專項，開展土壤微生物組研究。同時期，中科院和國家自然科學基金委也啟動了“土壤生物學”學科發(fā)展戰(zhàn)略研究項目。

　　美國

　　2016年5月13日，美國總統(tǒng)科學技術政策辦公室與相關政府機構和私人基金會共同頒布了一項新的國家計劃——國家微生物組計劃（National Microbiome Initiative）。這成為奧巴馬政府在腦科學計劃、精準醫(yī)學計劃和抗癌癥計劃后的又一個重大國家戰(zhàn)略行動，代表著促進科技創(chuàng)新和經濟增長的一個新領域。

　　該計劃的目標是研究不同環(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體及其功能，為解決21世紀人類面臨的農業(yè)、能源、環(huán)境、海洋和氣候等重大問題提供新的思路和途徑。該計劃首次把微生物研究提高到國家戰(zhàn)略地位，表明微生物組研究已經成為新一輪國際科技革命的戰(zhàn)略高地。

　　前沿科學問題

　　國際土壤微生物組學面臨的前沿科學問題可概括為4個主題：

　　1 土壤微生物多樣性形成與維持機制

　　土壤微生物多樣性的理論與認知

　　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制

　　2 土壤元素循環(huán)的微生物驅動機制

　　土壤關鍵元素循環(huán)的微生物作用機理

　　土壤關鍵過程的微生物生理驅動機制

　　土壤微生物組功能變異的環(huán)境驅動機制

　　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

　　土壤微生物組介導的地上-地下耦聯(lián)機制

　　土壤微生物介導的食物網絡結構及功能

　　4 土壤微生物組的新技術及應用

　　土壤微生物組學技術

　　土壤微生物組原位表征技術

　　土壤微生物組資源調控技術

　　未來研究戰(zhàn)略目標

　　土壤微生物組的研究依賴于跨學科交叉的理念和先進技術的支撐。未來（2025年前后）我國土壤微生物組的戰(zhàn)略目標主要有：

　　繪制主要生態(tài)系統(tǒng)土壤微生物資源圖，建立國際一流的環(huán)境格局-土壤微生物組整合分析數據庫和平臺；

　　研究土壤微生物組的形成與演化、關鍵物質與能量循環(huán)的微生物機制、土壤微生物組資源發(fā)掘與定向調控，突破地球科學和生命科學交叉前沿的重大問題，為解決21世紀我國面臨的農業(yè)、能源、醫(yī)療和工業(yè)相關的重大問題提供支撐。

　　土壤微生物組服務于人類生產生活和經濟社會發(fā)展是其永恒不變的主題。土壤微生物組的研究已經超越了單一微生物、單一土壤要素、單一微觀過程的傳統(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整體，從地球科學的宏觀角度調控土壤過程的農業(yè)和生態(tài)環(huán)境功能，從分子生物學的微觀尺度發(fā)掘海量微生物資源在醫(yī)療健康、工業(yè)生產等方面的巨大潛力。

　　因此，功能研究是新形勢下土壤微生物組能力建設的核心，其主要技術路徑和能力建設包括以下6方面：

　　土壤微生物組與醫(yī)療健康

　　土壤微生物組與農業(yè)生產

　　土壤微生物組與環(huán)境保護

　　土壤微生物組與全球變化

　　土壤微生物組與跨學科研究

　　土壤微生物組與聯(lián)網平臺

　　土壤、水、大氣被認為是人類生存與發(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農業(yè)生產，隨著社會經濟的快速發(fā)展，特別是近30年來，學術界對土壤微生物組的理論認知發(fā)生了翻天覆地的變化，其應用前景得到了各國政府的高度重視，成為新一輪科技革命的戰(zhàn)略制高點之一。目前，國際土壤微生物組的多樣性、描述性研究已臻成熟，相關研究面臨著從數量向質量轉變的歷史機遇和挑戰(zhàn)。

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