微生物是地球最早出現(xiàn)的生命形式，這種簡(jiǎn)單而古老的生命決定了地球演化的方向和進(jìn)程，推動(dòng)了土壤的發(fā)生和發(fā)育，孕育了人類的文明。事實(shí)上，土壤中蘊(yùn)藏的巨大微生物多樣性，被稱為地球關(guān)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(zhì)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(zhì)”

　　近30年來，隨著各種先進(jìn)物理化學(xué)手段的出現(xiàn)，特別是高通量測(cè)序技術(shù)的指數(shù)式發(fā)展，土壤微生物學(xué)成為地球科學(xué)與生命科學(xué)的新興學(xué)科增長(zhǎng)點(diǎn)和交叉前沿，蘊(yùn)藏于土壤中的巨大微生物多樣性被認(rèn)為是地球元素循環(huán)的引擎，而每克土壤中數(shù)以億萬計(jì)的微生物中，高達(dá)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(zhì)”。

　　這些海量的微生物與復(fù)雜的土壤環(huán)境總稱為土壤微生物組（Soil Microbiome），是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)藥衛(wèi)生和環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域的核心資源之一，已經(jīng)成為新一輪科技革命的戰(zhàn)略高地，得到了世界各國(guó)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?jī)?nèi)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(zhuǎn)化的引擎，土壤中有機(jī)質(zhì)的分解與積累，氮素轉(zhuǎn)化（包括生物固氮）等過程無不與微生物的活動(dòng)密切相關(guān)。這也是傳統(tǒng)土壤微生物學(xué)研究的重點(diǎn)，這些研究主要圍繞元素轉(zhuǎn)化速率、養(yǎng)分利用率、與相關(guān)土壤酶活性及功能基因的關(guān)系等進(jìn)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(zhuǎn)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(guān)鍵。對(duì)于有機(jī)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(zhuǎn)化或徹底分解礦化。

　　3 土壤微生物組是全球變化的調(diào)節(jié)器，通過影響元素生物地球化學(xué)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(jìn)地球增溫，如驅(qū)動(dòng)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(chǎn)力的重要驅(qū)動(dòng)者，直接參與了植物獲得養(yǎng)分和土壤養(yǎng)分循環(huán)兩個(gè)過程。

　　5 土壤微生物組是活性物質(zhì)的資源庫(kù)，與人類健康息息相關(guān)。土壤微生物組中的有益生物可抑制人類和動(dòng)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(chǎn)物（如藥物）的資源庫(kù)，多數(shù)天然抗生素來自于土壤微生物。

　　近年來，天然結(jié)構(gòu)抗生素的發(fā)現(xiàn)進(jìn)入瓶頸期，隨著微生物培養(yǎng)技術(shù)、宏基因組學(xué)及高通量篩選方法的發(fā)展，人們?cè)俅螌⒛抗饩劢褂趶奶烊划a(chǎn)物中發(fā)現(xiàn)新型抗生素。

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

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

　　國(guó)際研究發(fā)展趨勢(shì)

　　英國(guó)

　　1997年，英國(guó)啟動(dòng)了“土壤生物多樣性研究計(jì)劃”，組織120余位科學(xué)家參與并設(shè)置了30個(gè)研究項(xiàng)目，采用分子技術(shù)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(fù)雜環(huán)境中生物標(biāo)記物（PLFA/DNA/ RNA）技術(shù)（Stable Isotope Probe），培養(yǎng)造就了一批迄今活躍在國(guó)際土壤生物學(xué)前沿的著名科學(xué)家，土壤生物多樣性的重要性逐漸引起國(guó)際社會(huì)的關(guān)注。 

　　中國(guó)

　　我國(guó)科技主管部門長(zhǎng)期以來高度重視土壤微生物相關(guān)研究。國(guó)家自然科學(xué)基金委2011年啟動(dòng)了相關(guān)重大項(xiàng)目，針對(duì)稻田土壤關(guān)鍵生物地球化學(xué)過程與環(huán)境功能，開展了土壤微生物生態(tài)學(xué)機(jī)理研究。2014年科技部啟動(dòng)了“973”基礎(chǔ)性研究項(xiàng)目“作物高產(chǎn)高效的土壤微生物區(qū)系特征及其調(diào)控”。同年，中科院?jiǎn)?dòng)了“土壤-微生物系統(tǒng)功能及其調(diào)控”戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)，開展土壤微生物組研究。同時(shí)期，中科院和國(guó)家自然科學(xué)基金委也啟動(dòng)了“土壤生物學(xué)”學(xué)科發(fā)展戰(zhàn)略研究項(xiàng)目。

　　美國(guó)

　　2016年5月13日，美國(guó)總統(tǒng)科學(xué)技術(shù)政策辦公室與相關(guān)政府機(jī)構(gòu)和私人基金會(huì)共同頒布了一項(xiàng)新的國(guó)家計(jì)劃——國(guó)家微生物組計(jì)劃（National Microbiome Initiative）。這成為奧巴馬政府在腦科學(xué)計(jì)劃、精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)計(jì)劃和抗癌癥計(jì)劃后的又一個(gè)重大國(guó)家戰(zhàn)略行動(dòng)，代表著促進(jìn)科技創(chuàng)新和經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的一個(gè)新領(lǐng)域。

　　該計(jì)劃的目標(biāo)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(gè)體及其功能，為解決21世紀(jì)人類面臨的農(nóng)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(jì)劃首次把微生物研究提高到國(guó)家戰(zhàn)略地位，表明微生物組研究已經(jīng)成為新一輪國(guó)際科技革命的戰(zhàn)略高地。

　　前沿科學(xué)問題

　　國(guó)際土壤微生物組學(xué)面臨的前沿科學(xué)問題可概括為4個(gè)主題：

　　1 土壤微生物多樣性形成與維持機(jī)制

　　土壤微生物多樣性的理論與認(rèn)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(jī)制

　　2 土壤元素循環(huán)的微生物驅(qū)動(dòng)機(jī)制

　　土壤關(guān)鍵元素循環(huán)的微生物作用機(jī)理

　　土壤關(guān)鍵過程的微生物生理驅(qū)動(dòng)機(jī)制

　　土壤微生物組功能變異的環(huán)境驅(qū)動(dòng)機(jī)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(dǎo)的地上-地下耦聯(lián)機(jī)制

　　土壤微生物介導(dǎo)的食物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及功能

　　4 土壤微生物組的新技術(shù)及應(yīng)用

　　土壤微生物組學(xué)技術(shù)

　　土壤微生物組原位表征技術(shù)

　　土壤微生物組資源調(diào)控技術(shù)

　　未來研究戰(zhàn)略目標(biāo)

　　土壤微生物組的研究依賴于跨學(xué)科交叉的理念和先進(jìn)技術(shù)的支撐。未來（2025年前后）我國(guó)土壤微生物組的戰(zhàn)略目標(biāo)主要有：

　　繪制主要生態(tài)系統(tǒng)土壤微生物資源圖，建立國(guó)際一流的環(huán)境格局-土壤微生物組整合分析數(shù)據(jù)庫(kù)和平臺(tái)；

　　研究土壤微生物組的形成與演化、關(guān)鍵物質(zhì)與能量循環(huán)的微生物機(jī)制、土壤微生物組資源發(fā)掘與定向調(diào)控，突破地球科學(xué)和生命科學(xué)交叉前沿的重大問題，為解決21世紀(jì)我國(guó)面臨的農(nóng)業(yè)、能源、醫(yī)療和工業(yè)相關(guān)的重大問題提供支撐。

　　土壤微生物組服務(wù)于人類生產(chǎn)生活和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展是其永恒不變的主題。土壤微生物組的研究已經(jīng)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(gè)整體，從地球科學(xué)的宏觀角度調(diào)控土壤過程的農(nóng)業(yè)和生態(tài)環(huán)境功能，從分子生物學(xué)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(chǎn)等方面的巨大潛力。

　　因此，功能研究是新形勢(shì)下土壤微生物組能力建設(shè)的核心，其主要技術(shù)路徑和能力建設(shè)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(nóng)業(yè)生產(chǎn)

　　土壤微生物組與環(huán)境保護(hù)

　　土壤微生物組與全球變化

　　土壤微生物組與跨學(xué)科研究

　　土壤微生物組與聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)

　　土壤、水、大氣被認(rèn)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(wù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，特別是近30年來，學(xué)術(shù)界對(duì)土壤微生物組的理論認(rèn)知發(fā)生了翻天覆地的變化，其應(yīng)用前景得到了各國(guó)政府的高度重視，成為新一輪科技革命的戰(zhàn)略制高點(diǎn)之一。目前，國(guó)際土壤微生物組的多樣性、描述性研究已臻成熟，相關(guān)研究面臨著從數(shù)量向質(zhì)量轉(zhuǎn)變的歷史機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

　?。ㄖ煊拦?，中科院城市環(huán)境所所長(zhǎng)，研究員）