Trends综述精选：影响微生物相互作用的生态因素

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自然环境中一些对生命至关重要的生物地球化学过程，比如固氮和碳循环，在很大程度上是由微生物相互作用介导的，而微生物相互作用则是由生态因素决定。因此，人类活动、污染和气候变化会扰乱这些相互作用，也就不足为奇了。了解这些干扰的基础有助于发现关键的微生物相互作用，从而有针对性地保护各种生态系统。本合辑收录了来自Trends系列期刊的诸多论文，就各类议题展开了讨论，包括人类活动如何影响各种环境中的微生物群落、气候变化如何影响土壤微生物群和植物健康、微生物群落如何促进海洋健康，以及微生物多样性改变如何影响人类健康。此外，本合辑还介绍了在开发微生物群落潜力方面的最新生物技术进展。

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微生物耐旱性可能会破坏土壤碳稳定

由于气候变化的影响，干旱现象变得越来越频繁、严峻。在干旱作用下，植物和微生物会做出反应，这种反应可能会影响储存在土壤中的大量有机碳。如果微生物在干旱情况下继续保持活动，那么土壤可能会失碳，特别是在来自植物的碳输入减少的情况下。实证和理论研究揭示了微生物抗旱的多种机制，包括耐受（tolerance）和规避（avoidance）。生理反应使微生物能在几分钟到几天的时间内适应干旱；伴随着物种扩散，群落组成的变化使得微生物群在干旱情况下依然能够保持功能；此外，微生物也可能通过进化过程（evolutionary processes）适应更干燥的环境。来自加州大学欧文分校（University of California, Irvine）的Steven D. Allison在Trends in Microbiology发表观点文章并指出，在这些机制的共同影响下，气候变化作用下的土壤碳损失可能会大于当前预期。

亚马逊雨林中的土壤微生物岌岌可危

土壤微生物是亚马逊地区土地利用和气候变化的敏感指标，揭示了温室气体生产等重要过程的变化，但却没有得到诸多环境保护和管理举措的重视。来自普林斯顿大学和斯坦福大学的Andressa M. Venturini团队在Trends in Ecology Evolution“科学与社会（SCIENCE & SOCIETY）”板块发表文章并指出，我们迫切需要将土壤生物多样性与其他学科相结合，同时扩大采样和目标微生物群体的范围。

干旱情况下的植物-土壤反馈：历史是否塑造了未来？

植物-土壤反馈（plant–soil feedback）被广泛认为是植物群落组成的驱动因素，但对于干旱如何影响植物-土壤反馈，学术界的认知仍处于初级阶段。来自阿姆斯特丹大学（University of Amsterdam）的Franciska de Vries团队在Trends in Ecology Evolution发表观点文章，针对干旱在植物-土壤反馈中的作用，提出了一个概念性框架，考虑了植物性状、干旱严重程度以及生态和进化时间尺度上的历史降水量等因素。研究人员比较了不同的试验研究，包括存在与不存在共同干旱历史的植物和微生物（通过共源co-sourcing或调理conditioning），并提出假设，认为具备共同干旱历史的植物和微生物在后续干旱事件中会表现出更积极的植物-土壤反馈。为了了解真实的干旱反应，未来研究需要明确考虑植物-微生物的共同发生（co-occurrence）和潜在的共同适应，以及植物和微生物经历的历史降水情况。

固氮放线菌根瘤共生对恢复贫瘠、退化、受污染土壤的意义

可固定大气氮的豆科植物经常被用于恢复贫瘠、退化和污染的土壤。但生物固氮也可以由所谓的放线菌根瘤植物（actinorhizal plant）完成。放线菌根瘤植物包括高度多样化的木本物种，因此可以应用于各种环境。与固氮的豆科植物相比，放线菌根瘤植物在土壤修复方面的潜力在很大程度上还没有被开发出来。来自西南大学的Bin Hu和 Robert Hänsch团队在Trends in Plant Science发表观点文章，总结了相关的基础研究要求，以确定放线菌根瘤植物的环境应激反应特征，这会决定放线菌根瘤植物在恢复贫瘠、退化和受污染土壤方面的潜力。该研究确定了放线菌根瘤植物的优势和有待开发的环节，并为未来研究指明了方向，学术界对这一重要植物物种群体的研究还处于起步阶段。

微生物固氮作用的神秘演变：来自地球过去的启示

由于氮在生物质合成中的重要作用，固氮作用的进化无疑改变了生物圈的各个方面。迄今为止，学术界对于什么样的行星条件催生了固氮作用，或者这些条件如何在进化中维持固氮作用，还没有统一的看法。耐人寻味的是，纵观整个地球史，固氮酶发挥作用所需的金属浓度在不断变化。来自威斯康星大学麦迪逊分校（University of Wisconsin, Madison）的Betül Betül Kaçar团队在Trends in Microbiology发表综述论文，阐述了金属、氮循环与固氮酶进化的相互联系，以及古代生态学对现代氮循环形成的重要性。研究人员认为，对氮循环深层历史的探索将为眼下人类所面临的以氮供应为中心的环境挑战提供启示。

PANOMICS：根-土壤微生物组与可持续农业的交叉研究

硝化（nitrification）和反硝化（denitrification）属于土壤生物过程，是农业土壤出现大量氮损失、产生温室气体N2O的原因。氮肥使用的增加和由此导致的氮利用效率降低是农业生态系统中的一个主要问题。土壤微生物群与根系渗出物的密切相互作用，以及生物硝化抑制（biological nitrification inhibition）会影响根围氮循环，而泛组学（PANOMICS）方法可以帮助剖析这些过程。来自奥地利维也纳大学（University of Vienna）的Palak Chaturvedi和Wolfram Weckwerth团队在Trends in Plant Science发表综述论文，回顾了该领域的研究突破，包括通过代谢组学和蛋白质组学对根系渗出物进行鉴定和表征，这有助于更好地理解土壤中的化学交流，并帮助发现新的生物硝化抑制剂。此外，研究人员还讨论了进一步研究根系渗出物在生物和非生物应激中的作用所面临的挑战。

除草剂对生态系统的影响：微生物组的作用

全球范围内的非目标生物都存在除草剂暴露。虽然一开始人们认为许多除草剂，例如草甘膦，是安全的，但越来越多的证据表明，除草剂通过改变微生物群落对生态系统功能产生了深刻的影响。来自芬兰图尔库大学（University of Turku）的Suvi Ruuskanen团队在Trends in Ecology Evolution发表观点文章，提出了一个全面的框架，用以阐明除草剂残留如何通过改变微生物组来调节生态系统层面的结局。土壤微生物群的变化可能会影响关键的营养循环和植物-土壤过程。除草剂改变的微生物组会影响植物和动物的表现，并能影响包括食草动物和授粉在内的营养相互作用。这些变化可能会影响生态系统，甚至是微生物和宿主的进化结局。应对农业化学品对生态系统功能和服务造成的威胁，需要在全面理解微生物介导风险的基础上，开发工具和解决方案。

古菌在沿海碳生物地球化学循环中不可忽视的作用

沿海地区是全球生产力水平最高的生态系统之一。沿海地区作为“蓝碳（blue carbon）”库，储存了大量的有机碳，并影响着全球气候变化。古菌群落是沿海微生物组的重要组成部分，但其生态作用往往被忽视。新近研究利用快速发展的尖端技术，揭示了古菌（archaea）的多样性、代谢、进化和相互作用，使人们认识到，古菌是沿海碳生物地球化学循环的重要参与者。来自深圳大学古菌生物学研究中心的李猛（Meng Li）团队在Trends in Microbiology发表综述论文，总结了有关沿海生态系统中古菌碳循环过程的最新研究进展，特别是古菌参与CO2固定、有机生物聚合物转化和甲烷代谢的情况。此外，研究人员还展示了利用古菌群落促进碳封存、减少甲烷生产的潜力，这有助于缓解气候变化。

追踪不断变化的海洋条件下的当代微生物演变

海洋微生物对地球系统的运作至关重要。但海洋微生物如何通过进化应对全球变化，我们对此的了解依然十分有限。微生物通常以大规模种群的形式生长并快速繁殖，这可能使得微生物相比大型生物，更能快速适应环境应激。但有关野生微生物当代进化的遗传证据十分稀少。来自西班牙巴塞罗那海洋科学研究所（Institute of Marine Sciences）的Georgina L. Brennan和Ramiro Logares在Trends in Microbiology发表观点文章并指出，我们必须开始科研合作，建立新的微生物时间序列，探索新的工具、实验和数据来填补这一知识空白。发展合作型微生物 “基因组”观测站将带来前所未有的机会，帮助我们跟踪海洋当代微生物的进化，探索进化因素对野生微生物应对全球变化的作用。

大规模昆虫饲养中的环境-宿主-寄生虫相互作用

昆虫的大规模生产正在全球范围内迅速发展，满足多种工业需求。但大规模昆虫生产系统中的寄生虫感染会降低生产力，并可能导致重大损失。大规模饲养设施中的高饲养密度和人工环境条件会影响昆虫宿主以及寄生虫。环境条件，如温度、气体、光、振动和电离辐射，可以通过改变昆虫的发育和对寄生虫的敏感性，来影响大规模昆虫生产设施的生产力。来自英国利兹大学（University of Leeds）的Alison M. Dunn团队在Trends in Parasitology发表综述论文，总结了近来有关环境-宿主-寄生虫相互作用的文献，重点关注了大规模饲养的昆虫物种。了解这些复杂的相互作用，或有助于优化环境条件，从而预防大规模饲养条件下的昆虫传染病。

血吸虫传播：从宿主到生态系统的能力放大

在“同一个健康（One-Health）”的概念背景下，我们迫切需要确定环境退化、生物多样性丧失和病原体循环之间的联系。来自法国蒙彼利埃大学（Université de Montpellier）和佩皮尼昂大学（Université de Perpignan Via Domitia）的Olivier Rey团队在Trends in Parasitology发表综述论文，总结了与血吸虫（Schistosoma，血吸虫病病原体）物种相互作用并最终在生态系统层面调节其传播的水生环境因素。研究人员引入了“生态系统能力”（ecosystem competence）的概念，其定义为“生态系统扩大或减轻特定病原体（这些病原体最终可以传播到明确的宿主身上）传入量的倾向”。生态系统能力整合了生态系统范围内的所有机制，这些机制是特定病原体传播风险的基础，并为“同一个健康”概念的践行提供了一个颇有潜力的衡量标准。

为什么流行的冠状病毒毒株这么少（或这么多）？

尽管冠状病毒在非人类宿主中表现出高度多样性，而且最近发生了明显的外溢事件，但根据现有观察数据来看，只有少数冠状病毒在人类群体中持续存在。这种差异令人费解，表明我们在全面了解冠状病毒方面依然存在许多障碍。来自普林斯顿大学的Benjamin L. Rice团队在Trends in Immunology发表观点文章，详细阐述了一些假设，可能有助于解释为什么冠状病毒具备巨大的进化和涌现（emergence）潜力，但地方性流行性冠状病毒毒株数量却较为稀少。研究人员评估了可能的解释，包括毒株确定问题、历史上较小的外溢机会、人类人口变化层面的诸多因素、病原体生物学的特点以及对相关病毒预先存在的适应性免疫能力。研究人员阐述了为什么成功涌现的病毒物种必须将传播、毒力和宿主免疫力三者结合起来，以维持毒株的流行性。分析可能影响病毒持久性的因素，有助于确定具备潜力的研究方向，从而更好地了解最有可能导致病毒溢出的病原体和环境组合。

从莱姆病看生物多样性：欧洲生态恢复与蜱虫传播疾病

生物多样性丧失和人畜共患疾病是两个主要的全球性挑战。我们面临的一个紧迫问题，是如何在恢复生态系统和野生动物群落的同时，将野生动物携带的人畜共患疾病风险降到最低。来自荷兰瓦赫宁根大学（Wageningen University and Research）的Clara Florentine Köhler和Helen J. Esser团队在Trends in Parasitology发表综述论文，评估了当前恢复欧洲自然生态系统的雄心如何在不同水平上影响蓖子硬蜱（Ixodes ricinus）传播疾病的风险。研究人员发现，生态恢复工作对蜱虫丰度的影响是相对直接的，但我们尚未充分了解脊椎动物多样性和丰度与病原体传播的相互影响。我们需要对野生动物群落、蜱虫及其病原体进行长期的综合监测，以了解它们之间的相互作用，并防止自然恢复工作导致蜱传疾病（tick-borne disease）风险上升。

生物多样性：被忽视的人类健康之源

生物多样性衡量了特定生态系统中生命体的多样性。生物多样性保障了生态系统的稳健性、稳定性和复原力，从最终的结果来看，这对我们的生存至关重要，因为我们依赖于自然生态系统所提供的服务（食物、淡水、空气、气候和医药）。尽管如此，人类活动正在导致生物多样性以前所未有的速度下降，如果不采取紧急行动，这可能会危及地球的生命支持系统。来自全球青年学者（ Global Young Academy）组织的Yuliya Linhares、Myrtani Pieri、Velia Siciliano和Yensi Flores Bueso团队在Trends in Molecular Medicine发表综述论文，阐述了生物多样性对人类健康的重要性，重点关注了生物多样性所带来的生物医学服务，并介绍了促进生物多样性保护的新老方法。

嗜盐菌：去除高盐废水污染物的优秀候选微生物

由于盐分应激对微生物生存和代谢能力的抑制，高盐废水很难处理。嗜盐菌（haloarchaea）是在高盐水栖息地中生长的本地微生物（native microorganism），因此天然就能克服这一关键障碍。来自青岛大学的李津（Jin Li）和来自中国科学技术大学的盛国平（Guo-Ping Sheng）团队在Trends in Biotechnology发表综述论文，全面总结了嗜盐菌在高盐废水处理中的代谢多样性，包括碳、氮、磷、硫和重金属的代谢，分析了影响污染物去除的因素并讨论了代谢机制。此外，研究人员还阐述了嗜盐菌的微生物特征以及应对盐分压力的策略，并研究了利用嗜盐菌产生生物分子的生物技术潜力。为了更好地了解嗜盐菌的潜力，还需要对嗜盐菌的基本代谢、基因组学和在实际废水中的应用进行更深入的研究。

利用合成生物学来改善海洋健康

海洋的健康状况正在恶化，持续的人类影响正在侵蚀海洋的再生和自我更新能力。塑料垃圾已经渗透到所有的海洋生物群落中，气候变化使珊瑚礁面临灭绝的威胁，海水富营养化则催生出了大量藻类。面对这些挑战，合成生物学方法或许可以带来前所未有的解决方案，以减轻不利影响、修复生态系统，并引导我们走上可持续发展的道路。合成生物学工具将带来创新的工程方法，增强海洋生物系统的自然适应能力，以应对人类导致的快速变化。来自麻省理工大学的James J. Collins和伊利诺伊大学香槟分校（University of Illinois Urbana-Champaign） 的Ting Lu团队在Trends in Biotechnology发表观点文章，提出了一个框架，以开发合成生物学解决方案，应对塑料污染、珊瑚白化和有害藻类繁殖所带来的挑战。

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