根據(jù)現(xiàn)代醫(yī)學(xué)之父亞里士多德提出的觀點，消化和腸道健康的重要性自古以來就被人們所認(rèn)可。然而，直到二十世紀(jì)中期使用無菌動物進(jìn)行研究才真正揭開腸道微生物在消化中作用的面紗（Reyniers，1946）。將單一微生物或確定的微生物組合引入無菌宿主，人們首次揭示腸道微生物與健康和疾病的關(guān)系（Reyniers 和 Sacksteder，1958）。早期的突破性發(fā)現(xiàn)表明，微生物可以從宿主不能降解的化合物中獲取能量，但宿主缺乏降解這些化合物所需的酶，因而微生物群衍生的短鏈脂肪酸成為許多動物的重要能量來源（Bergman，1990）。也有研究表明，腸道微生物可以在宿主上皮細(xì)胞中誘導(dǎo)產(chǎn)生其所需的營養(yǎng)物質(zhì)（Bry，1996）。綜上所述，這些早期發(fā)現(xiàn)突出了腸道微生物和宿主之間的互惠關(guān)系。

進(jìn)入二十一世紀(jì)以來，通過引入新的培養(yǎng)和分析方法，特別是第二代和第三代測序，我們對腸道微生物作用的理解取得了突破性進(jìn)展（Rodríguez，2015）。最引人注目的也許是有關(guān)腸道微生物的下列發(fā)現(xiàn)：

• 影響我們的情緒和行為（Bravo，2011；Naseribafrouei，2014）

• 組成嬰兒期免疫印記的重要部分（Olin，2018）

• 對慢性病有很大影響（Zhao，2018）

盡管新技術(shù)使人們能夠更深入、更詳細(xì)地了解宿主與微生物之間的關(guān)系，但這些主要反應(yīng)了時間與空間的短暫的片段。例如，微生物的代時和腸道內(nèi)的代謝流這些基本知識，在很大程度上仍然未知。我們也缺乏關(guān)于腸道相關(guān)細(xì)菌的生態(tài)學(xué)和與宿主相互作用的基本知識。最后，我們對腸道微生物群中的可移動的遺傳元件了解非常有限。基于以上問題的探索，對從機(jī)理上了解我們腸道中的微生物，并最終建立起因果關(guān)系的機(jī)理模型都至關(guān)重要。

此文將著重討論我們認(rèn)為仍有重大知識差距且需要在未來填補的一些領(lǐng)域。

宿主微生物的相互作用

也許腸道微生物群與宿主最緊密的聯(lián)系體現(xiàn)在結(jié)腸細(xì)胞對腸道微生物群產(chǎn)生的丁酸鹽的依賴性。除了作為一個重要的能量來源，丁酸鹽在免疫調(diào)節(jié)方面也有重要的作用（Furusawa，2013）。特別重要的是腸道微生物群在嬰兒期的丁酸鹽產(chǎn)生能力是何時建立的（Nilsen，2020）。未來需要進(jìn)一步關(guān)注的一個問題是代謝物產(chǎn)生和發(fā)育過程之間的相互作用（Cait，2019；Jena，2020）。

最新的研究表明，我們應(yīng)該把宿主和微生物組作為一個單一的單位（Postler and Ghosh，2017）。然而，腸道微生物群組成和宿主基因之間的聯(lián)系似乎不大（Dvergedal，2020，Rothschild，2018），這意味著宿主遺傳因素可能在塑造腸道微生物群組成方面沒有發(fā)揮主要作用。導(dǎo)致缺乏遺傳性的一個主要原因是表觀遺傳（Sharma，2020）。因此，我們認(rèn)為表觀遺傳將是未來腸道微生物群研究的一個重要領(lǐng)域。遺傳和表觀遺傳在腸道微生物群的作用是尚需探索的領(lǐng)域（Sandoval-Motta，2017），未來可能有重要的發(fā)現(xiàn)。

宿主-微生物的共同進(jìn)化

自脊椎動物出現(xiàn)以來，脊椎動物宿主和腸道微生物之間一直存在著密切的共同進(jìn)化關(guān)系，微生物為宿主提供必需的功能。一個特別引人注目的問題是，腸道微生物提供的功能在多大程度上促進(jìn)著脊椎動物的物種形成（Moeller and Sanders，2020）。因此，我們認(rèn)為進(jìn)一步的研究應(yīng)該集中在探尋宿主和腸道相關(guān)微生物之間的協(xié)同進(jìn)化模式。我們還認(rèn)為，確定共同進(jìn)化的機(jī)制在未來具有重要意義。

了解腸道微生物群衍生的代謝通量

一個待研究的問題是微生物群在腸道中衍生的代謝通量，特別是短鏈脂肪酸（SCFA）。由于大多數(shù)短鏈脂肪酸立即被吸收，也有部分被腸道代謝，真正的生產(chǎn)率很難估計（Bergman，1990）。盡管對代謝通量的了解有限，但短鏈脂肪酸與一系列重要的健康狀態(tài)有關(guān)（Parada Venegas，2019；He，2020）。隨著代謝示蹤劑和體內(nèi)測量技術(shù)的發(fā)展，可以預(yù)見更精細(xì)地測量代謝通量將有助于我們理解腸道微生物群衍生代謝物在健康和疾病中的作用。

腸道內(nèi)的生態(tài)學(xué)

Microbiome不是“所有微生物基因組之和”，而是生活在人類腸道的所有微生物的“生物群系（Biome）”。（注：因此，Microbiome應(yīng)該被翻譯為微生物群，不應(yīng)該被翻譯為微生物組）。作為一個微生物生態(tài)系統(tǒng)，微生物群是一個復(fù)雜的適應(yīng)性系統(tǒng)，由基本的構(gòu)件組織成一個更高層次的結(jié)構(gòu)，并且通過協(xié)同作用參與宿主健康相關(guān)功能。我們需要更多關(guān)于腸道內(nèi)宿主-微生物相互作用的生態(tài)學(xué)原理的基本知識。

腸道微生物群是主要由細(xì)菌與細(xì)菌之間的相互作用控制，還是由宿主自上而下的相互作用控制，這個問題仍然沒有解決（Ley，2006）。特別需要更多關(guān)注腸道內(nèi)正向選擇的程度，如人乳低聚糖和腸道上皮細(xì)胞的糖誘導(dǎo)（Avershina and Rudi，2013）。我們還需要了解腸道微生物群如何在宿主群體間傳播和組裝。這些知識對于理解生態(tài)系統(tǒng)的破碎化和實施衛(wèi)生措施尤為重要。在人類和其他群體中，我們的消毒措施有可能根除在腸道中發(fā)揮重要功能的微生物（Wibowo，2021）。此外，我們需要了解腸道內(nèi)微生物的生態(tài)相互作用的因果關(guān)系（Wu，2021）。因此，未來的研究應(yīng)以如何將我們的生活方式與腸道的生態(tài)過程相結(jié)合為目標(biāo)。

抗生素耐藥性儲存庫

如果不采取行動，估計 2050 年抗生素耐藥菌的死亡人數(shù)將超過癌癥（de Kraker，2016）。人類和動物的共生腸道微生物群是抗生素耐藥菌的主要儲存庫（Anthony，2020）。特別是，在食用動物中使用抗生素作為生長促進(jìn)劑，是導(dǎo)致抗生素耐藥性傳播的主要原因（Aarestrup，2012）。盡管一些國家多年來已經(jīng)禁止使用抗生素促進(jìn)動物生長，但抗生素耐藥性仍然持續(xù)存在。一個可能的解釋是，腸道微生物群中存在自身的移動遺傳元件（Ravi，2015）。這些元件可以傳播抗性，即使在沒有抗生素選擇的情況下也是如此（Hagbo，2019）。未來值得研究的領(lǐng)域是共生腸道微生物群的可移動元件組在抗生素耐藥性的持續(xù)和傳播中的作用。

培養(yǎng)不可培養(yǎng)者

培養(yǎng)微生物對于研究其與腸道的機(jī)制性相關(guān)關(guān)系和因果作用至關(guān)重要（Zhao and Zhao，2021）。對于人類的腸道微生物群，培養(yǎng)方法已經(jīng)有了重大進(jìn)展。特別是，培養(yǎng)技術(shù)為分析嚴(yán)格厭氧微生物提供了可能（Lewis，2020）。

一種特別有效的辦法是用不依賴培養(yǎng)的方法來確定使微生物可以培養(yǎng)的關(guān)鍵特性（Nayfach，2019）。因此，對于人類微生物群，我們正處于對人類腸道中大多數(shù)基因組進(jìn)行全面了解的階段（Hiseni，2021）。我們認(rèn)為未來人類腸道微生物培養(yǎng)的經(jīng)驗也應(yīng)該擴(kuò)展到其他脊椎動物，以便對生活在脊椎動物腸道中的微生物有全面的了解。

機(jī)理模型

最終目標(biāo)將是建立腸道微生物群與宿主相互作用的機(jī)理模型。對于人類腸道，已經(jīng)建立了第一個基因組尺度的代謝模型（Magnúsdóttir，2016），開發(fā)了一個與營養(yǎng)和疾病有關(guān)的綜合數(shù)據(jù)庫（Noronha，2019）?；谶@些信息，為了解釋人類嬰兒腸道的定植，也得出了機(jī)制性生態(tài)模型（Angell and Rudi，2020）。腸道微生物群的時空模型也有了新的進(jìn)展（Dukovski，2020），可以預(yù)見，這在未來對脊椎動物腸道微生物群的真正理解將具有重要意義。

微生物組研究質(zhì)量控制措施的標(biāo)準(zhǔn)化

大規(guī)模的微生物群項目以及數(shù)以百計的進(jìn)入微生物群領(lǐng)域的研究小組正在產(chǎn)生大量的微生物群數(shù)據(jù)。當(dāng)務(wù)之急是確保所有的微生物群數(shù)據(jù)集按照相同的質(zhì)量控制（Quality Control）標(biāo)準(zhǔn)生成，以便進(jìn)行比較和整合，從而產(chǎn)生新的見解和發(fā)現(xiàn)。已經(jīng)開展了一些項目來制定微生物群分析的標(biāo)準(zhǔn)化方案。然而，許多問題和挑戰(zhàn)仍然存在。

對于樣本收集，大多數(shù)項目使用糞便收集試劑盒，依靠固定緩沖液來滅活微生物，防止其進(jìn)一步生長。然而，試劑盒開發(fā)商及其使用者都很少用微生物學(xué)方法對試劑盒進(jìn)行測試，以確保在室溫下處理時間內(nèi)，固定緩沖液內(nèi)沒有微生物細(xì)胞存活/生長。該領(lǐng)域需要建立質(zhì)量控制方案，結(jié)合平板計數(shù)方法來評估細(xì)胞在試劑盒中的存活/生長，以及DNA/RNA測序來評估微生物群組成和基因表達(dá)模式的變化，以評估和選擇用于微生物群項目的糞便收集試劑盒。

對于核酸提取，每個糞便樣本中都有不同比例的革蘭氏陽性細(xì)胞，難以裂解。目前用于微生物組分析的細(xì)胞裂解方案通常對所有糞便樣本采用相同的方案，而不提供嚴(yán)格的質(zhì)量控制測試，以確定不同糞便中的所有類型的細(xì)胞是否可以被裂解，從而確保高度和一致的DNA/RNA回收率。在微生物群項目采用DNA/RNA提取方案之前，需要這樣的質(zhì)量控制數(shù)據(jù)。

對于大規(guī)模的微生物群項目，需要在許多不同的運行中對樣本進(jìn)行測序，同一組參考糞便樣本應(yīng)該在每個測序批次中重復(fù)測序。如果一組糞便樣本在同一項目的每一次測序運行中都進(jìn)行測序，最好也能在不同的項目中進(jìn)行測序，那么在其微生物組數(shù)據(jù)集中，既能顯示個體差異，又能顯示對相關(guān)干預(yù)措施的反應(yīng)，就可以被選作參考糞便樣本，以檢測、評估和消除批次效應(yīng)。微生物群項目應(yīng)該作為以發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象的科學(xué)項目來設(shè)計和進(jìn)行。如果微生物群分析完全依賴數(shù)據(jù)庫來注釋分類地位或基因功能，那么數(shù)據(jù)集中未分類或未注釋的部分將被排除在隨后的分析之外，這就將發(fā)現(xiàn)限制在已經(jīng)知道的范圍內(nèi)。

為了做出真正的發(fā)現(xiàn)，該領(lǐng)域應(yīng)該為微生物群數(shù)據(jù)集開發(fā)不依賴參考數(shù)據(jù)和獨立于數(shù)據(jù)庫的分析方法。

結(jié)語

脊椎動物微生物群代表了一個新興的研究領(lǐng)域，不僅可以為許多基本問題提供新的答案，如共同進(jìn)化是物種進(jìn)化的基本機(jī)制，而且還可以為人類和我們所處地球的健康帶來新的見解。

這篇文章中討論的主題并不代表未來所有潛在的研究目標(biāo)。特別是，我們相信該領(lǐng)域?qū)⒃谀切┩ǔＱ芯糠秶獾男滤拗魃锓矫鎸崿F(xiàn)多樣化。未來將不僅僅屬于微生物群大科學(xué)中心，也屬于以脊椎動物腸道微生物群為研究目標(biāo)的單個實驗室。為了使單個實驗室在這個數(shù)據(jù)驅(qū)動的領(lǐng)域產(chǎn)生影響，我們希望鼓勵制定和采用研究設(shè)計、數(shù)據(jù)收集和分析的最低質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)。這樣一個新的方法論框架將確保從大中心和小實驗室產(chǎn)生的關(guān)于各種脊椎動物微生物群的數(shù)據(jù)都可以整合，以產(chǎn)生一個關(guān)于微生物群和人類健康的全球視角。

關(guān)于 Frontiers in Microbiology：

Frontiers in Microbiology 是微生物研究領(lǐng)域的領(lǐng)先開放獲取期刊，最新影響因子 5.640，該期刊以開放獲取形式出版經(jīng)由嚴(yán)格同行評審的所有與微生物研究相關(guān)的科研成果。

趙立平主編所領(lǐng)導(dǎo)的欄目：脊椎動物消化系統(tǒng)中的微生物(Microorganisms in Vertebrate Digestive Systems)

該欄目旨在促進(jìn)關(guān)注脊椎動物消化道中微生物生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、動態(tài)和功能等方面最新以及最有影響的研究。歡迎研究脊椎動物消化道生態(tài)系統(tǒng)群落的分子和/或生理學(xué)方法的文章，范圍包括從培養(yǎng)的群落到體外、原位或體內(nèi)的微生物群。

脊椎動物的消化道存在著非常龐大且豐富的微生物群落，是地球上所有物種中群落密度最高的。這些群落主要由互利的，共生的以及寄生的（包括病原體）的微生物組成，它們與其宿主已經(jīng)逐漸進(jìn)化形成共同代謝、合成的協(xié)同關(guān)系。在一個平衡的系統(tǒng)中，常駐菌群會產(chǎn)生很多次生代謝產(chǎn)物，有利于宿主的代謝；另一方面，宿主會為常駐菌群提供穩(wěn)定的環(huán)境和充足的營養(yǎng)。

消化道系統(tǒng)的長期或是短期群落結(jié)構(gòu)變化受諸多因素影響，包括宿主的年齡，飲食習(xí)慣，以及各種壓力源。這種生物、化學(xué)和物理的壓力會影響消化道的微生物生態(tài)系統(tǒng)各群落之間相互作用，使其超越極限，繼而導(dǎo)致共生和寄生的菌群失調(diào)。