Cell?|?繪制地球微生物組圖譜，揭秘泛化菌的“基因搬運工”本色

撰文|617

微生物是地球生態系統的核心組成部分，廣泛分布于人體、動物、海洋、陸地、人為環境等各類生境中，參與物質循環、宿主健康調控等關鍵過程。然而，長期以來，全球微生物組的研究多局限于單一生境或局部區域，缺乏對行星尺度上微生物組整體結構、分布規律及跨生境交流機制的系統性解析。

2026年 2 月 4 日，歐洲分子生物學實驗室（EMBL）Michael Kuhn團隊在Cell雜志上發表了題為Planetary microbiome structure and generalist-driven gene flow across disparate habitats的文章。該研究通過整合全球范圍內的微生物組數據，構建了首個行星尺度的微生物組聚類框架，揭示了不同生境微生物組的分布規律、泛化菌（generalists）的核心特征，以及其在跨生境水平基因轉移（HGT）中的關鍵作用，為理解全球微生物組的演化、生態功能及與人類健康的關聯提供了全新視角。

但是令人痛心且遺憾的是該論文的通訊作者、國際著名生物學家Peer Bork（1963-2026）教授不幸于近期逝世，享年62歲。他是生物信息領域的推動者，也是微生物組的先驅科學家之一， 發表論文超過700篇，H指數高達257。他的代表性工作 成果 涉及蛋白質序列分析、相互作用網絡以及微生物組學分析等 方向 ，包括我們耳熟能詳的STRING、iTOL、eggNOG等數據庫與 研究 工具 。

圖片來自： https://www.embl.org/news/people-perspectives/remembering-peer-bork-obituary/

Peer Bork 教授的離去是科學界的巨大損失，但其留下的 研究成果 與 科學理論 將繼續為研究者們提供指引，相信這篇

Cell

為了在行星尺度上研究微生物組，作者收集并分析了不同生境的85,604個公開宏基因組樣本。為了 獲得最佳 的聚類 結果 ，作者測試了不同的輸入譜特征（分類學特征、功能特征、序列特征k-mer）、 多種 降維方法以及無監督聚類方法，產生了超過206萬個模型參數組合。經過綜合評估后，作者最終將全球微生物組劃分成40個核心生境類群（habitat cluster）。

這40個生境類群可以分為兩大類——宿主相關和環境相關，且不同類群受到特定因素驅動：

（1）人體腸道微生物組： 主要受到年齡和生活方式的影響，比如成人和新生兒/嬰兒的腸道微生物組存在明顯差異，傳統生活方式（如狩獵采集）和現代工業化生活方式的人存在顯著差異。

（2）動物腸道微生物組： 呈現高度的宿主特異性，靈長類、豬的腸道菌群與人類腸道菌群更相似，而草食動物（牛、馬）和嚙齒類的腸道菌群則與人類腸道菌群差異顯著，表明宿主的系統發育和飲食習性是驅動動物腸道微生物組組成的關鍵因素。

（3）海洋微生物組： 被 劃分為三個聚類，分別對應高緯度、中緯度和低緯度 ， 主要受到溫度驅動，其次是磷酸鹽和溶解氧。

該聚類框架還能有效識別樣本污染和未標注生境 。 例如， 作者通過該方法發現了一個 被 錯誤 標記為海洋/淡水生境的樣本 ， 其人類DNA含量顯著高于其他水體樣本， 被該方法識別為 人體皮膚微生物組樣本 。

進一步的分析發現， 不同生境的選擇壓力導致微生物在分類組成、功能特征和基因組特征上呈現差異，且功能組成比分類組成更具保守性。

在分類組成上，作者發現厚壁菌門（Firmicutes_A）和擬桿菌門（Bacteroidota）與宿主更為相關，而變形菌門（Proteobacteria）和放線菌門（Actinobacteriota）則更多存在于環境中。

在功能上，環境微生物在細胞過程和代謝功能上更豐富，體現出更高的代謝多樣性，而人體和動物的腸道微生物則以厭氧菌為主，更擅長利用蔗糖、乳糖等糖類物質。

在基因組特征上，環境微生物呈現種內高核苷酸多樣性，但泛基因組 相對 封閉，表明其更多通過點突變而非HGT適應環境。相反，宿主相關微生物呈現種內低核苷酸多樣性，并具有開放的泛基因組，表明其更依賴HGT獲得新功能。

在基因組大小上 ，宿主相關微生物的基因組大小上限約為3.5 Mbp，海洋微生物基因組更緊湊（<2.86 Mbp），而陸地微生物基因組更大（>3.84 Mbp），反映了不同生境下微生物的基因組優化策略。

泛化菌 （generalists） 是指 在所有生境中均廣泛存在的微生物 ， 特化菌（specialist） 是指局限于特定生境的微生物 。

為了量化微生物的泛化能力（即適應多種生境的能力），作者開發了一種泛化菌評分方法——該方法整合了類群的相對豐度，以及這些類群所出現的生境 類群 之間的生態距離。

作者 通過泛化菌評分發現， 僅4.6%的微生物為泛化菌（評分≥0.1），其余95.4%為特化菌（評分<0.1）。

與特化菌相比， 泛化菌具有更廣泛的溫度和pH耐受范圍，GC含量顯著更高，且物種形成速率更快 。 功能上，泛化菌 富集與有氧代謝相關的特征 （如有氧化學異養、葡萄糖氧化）， 擅長降解塑料和芳香族化合物等低生物利用度物質 ，而特化菌則富集抗生素和聚酮化合物生物合成途徑，依賴次級代謝產物與同域物種競爭。

接著，作者檢測了約200萬個微生物基因組（分離株和宏基因組組裝基因組MAGs）中的高置信度HGT事件，并結合生境聚類和泛化菌評分，分析HGT的跨生境規律 。

全球共檢測到84,049個高置信度HGT事件，其中97.62%發生在生態相似的生境間，主要發生在特化菌之間（64.4%），其次為泛化菌和特化菌（35.5%）；而2.38%的跨差異生境HGT事件，74.8%發生在泛化菌與特化菌之間，且泛化菌的參與比例隨生境間生態距離增加而顯著升高（Pearson相關系數r=0.589）。

其中， Pseudomonadaceae 、 Burkholderiaceae 和 Alteromonadaceae 貢獻了63%的跨差異生境HGT，是關鍵的“基因流動載體”。

上述結果表明 ， 泛化菌作為能夠跨越生態和地理邊界的關鍵載體，可以促進生態上不同的微生物生境間的HGT。

在確定泛化菌是生態上差異顯著的生境間HGT的主要載體后，接下來作者探究了人為生境微生物組在行星尺度微生物組圖景中的作用 ，因為作者發現 污水處理廠、建筑表面等人為生境，其微生物組在分類上接近宿主相關微生物組，在功能上接近環境微生物組，且泛化菌豐度極高。

結果顯示， 人為環境 顯著促進了宿主相關與環境微生物組之間的基因交流 ：宿主與環境生境間的HGT極其罕見，而宿主與人為生境、人為環境與自然環境間的HGT中，分別有58.2%和81.5%涉及泛化菌 ，也再次證明泛化菌在跨生境HGT事件中的重要性。

最后 ， 作者深入研究了與人類健康密切相關的耐藥基因，通過HGT檢測發現，耐藥基因的跨生境傳播并非隨機，而是主要依賴泛化菌介導的HGT。

作者 還 重點識別出一個“推定的多藥耐藥島（Putative multidrug resistance island）”，該耐藥島可通過泛化菌，在宿主腸道微生物與環境微生物之間實現跨生境傳播。更重要的是，該耐藥島攜帶對WHO定義的“Watch類”（需重點監測的抗生素，如頭孢類）和“Reserve類”（備用抗生素，用于多重耐藥感染）抗生素耐藥 的 基因，其跨生境傳播可能導致臨床耐藥菌的產生和擴張 。

綜上，該研究通過海量數據整合和創新方法構建，首次繪制了行星尺度微生物組的聚類圖譜，解碼了不同生境微生物組的分布規律和特征，明確了泛化菌作為跨生境基因流動核心載體的關鍵作用，以及人為生境在其中的“橋梁”功能。該研究不僅完善了微生物生態與演化理論，還為抗生素耐藥性防控、環境治理和微生物資源挖掘提供了重要的理論支撐和實踐線索，開啟了行星尺度微生物組研究的新范式。

https://doi.org/10.1016/j.cell.2025.12.051

制版人： 十一

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