張志剛：沉浸在腸道微生物研究中的科學(xué)癡迷者

王 涵

人體內(nèi)大約有30萬億個細(xì)胞，微生物的數(shù)量大約為39萬億，它們與所有生命體共生共存，是這個星球真正的主人。自17世紀(jì)列文虎克發(fā)現(xiàn)微生物以來，再到19世紀(jì)中期微生物學(xué)科的建立，腸道微生物學(xué)研究逐漸成為這門學(xué)科的一個重要分支，在各個領(lǐng)域研究中充當(dāng)著跨界者的角色。無數(shù)的科學(xué)家們不惜窮盡一生去探尋腸道微生物學(xué)中的奧秘，而云南大學(xué)研究員張志剛便是其中的一個。從植物學(xué)跨界到腸道微生物學(xué)，他在這條道路上行進(jìn)了11個年頭，并將這份事業(yè)的信仰融入骨血，在祖國西南紅土上澆灌出了艷麗的花朵。

陰差陽錯，闖入腸道微生物的世界

1998年，19歲的張志剛考入內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護(hù)專業(yè)。在好奇心和求知欲的驅(qū)動下，不斷攀登著科研的學(xué)術(shù)高峰。大四畢業(yè)后，張志剛順利考入云南農(nóng)業(yè)大學(xué)，直接攻博，進(jìn)入植物病理學(xué)專業(yè)。從內(nèi)蒙古到云南，從未離開過家鄉(xiāng)的張志剛對于異鄉(xiāng)并沒有一絲的擔(dān)心和害怕，他滿懷憧憬，期待著收獲更多的學(xué)科知識。

清秀的昆明，柔軟的麗江古城，永恒寧靜的香格里拉，悠遠(yuǎn)的大理……在領(lǐng)略云南之美的同時，張志剛也不忘學(xué)習(xí)，努力汲取知識。本以為，通過10年積攢的植物學(xué)知識可以讓他大展拳腳，在植物學(xué)領(lǐng)域有所建樹，但命運(yùn)似乎要給這個年輕人多一些歷練。2009年，張志剛進(jìn)入中國科學(xué)院昆明動物研究所施鵬研究員團(tuán)隊(duì)，在施鵬的大力支持下，從事腸道微生物組研究工作。這對他來說，是一個全新的領(lǐng)域。

孟子曰：“天將降大任于是人也，必先苦其心志，勞其筋骨，餓其體膚，空乏其身”，憑借刻苦鉆研的精神和孜孜不倦的學(xué)習(xí)態(tài)度，張志剛很快便掌握了腸道微生物研究的基礎(chǔ)知識?！氨M管我是半路出家，但我發(fā)現(xiàn)植物學(xué)的知識對于研究腸道微生物組有諸多裨益，它讓我的知識領(lǐng)域更加寬廣，啟迪我以一個全新的角度出發(fā)去研究腸道微生物?！睆堉緞傂χf。

2020年，是張志剛進(jìn)行腸道微生物組研究的第11個年頭了。在這11年里，張志剛以植物學(xué)為基石，朝著腸道微生物組領(lǐng)域“開疆?dāng)U土”。他由一名助理研究員成長為副研究員再到研究員、博導(dǎo)，工作單位由中國科學(xué)院昆明動物研究所變成云南大學(xué)。但不變的，是他對七彩云南和腸道微生物組研究發(fā)自內(nèi)心的熱愛。

張志剛

近年來，張志剛借助宏基因組學(xué)的手段，綜合利用多學(xué)科交叉的策略，在疾病診斷的微生態(tài)理論和技術(shù)體系的構(gòu)建、解析腸道微生物在動物適應(yīng)性進(jìn)化過程的作用等方面取得了一系列突出的原創(chuàng)性成果，并在國際上產(chǎn)生了重要的影響。張志剛以（共同）第一作者或（共同）通訊作者發(fā)表了SCI論文16篇，其中包括領(lǐng)域內(nèi)的頂級雜志Current Biology（3篇），Am. J. Gastroenterol.（1篇），ISME J.（1篇）。累計(jì)被Nature，Cell，Nature Reviews Microbiology，Nature Microbiology，Nature Medicine， Cell Host & Microbe，PNAS等國際核心SCI刊物引用近800次，其中6篇引用超過70次，單篇最高引數(shù)為超過130次，累計(jì)影響因子為46.429。此外，這些文章的相關(guān)內(nèi)容已被寫入13部教科書中，部分研究成果獲得了2019年云南省自然科學(xué)獎一等獎（排名第二）。由此，張志剛先后榮獲“云南省中青年學(xué)術(shù)后備人才”“云南省萬人計(jì)劃青年拔尖人才”等榮譽(yù)稱號，并成為云南生物資源保護(hù)與利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室生命與分子科學(xué)學(xué)科群整合生物學(xué)研究組PI。

任重道遠(yuǎn)，利用腸道微生物治療人體疾病

腸道微生物被譽(yù)為人類的“第二基因組”，同時也是人體內(nèi)的一個“隱形”器官。目前已有研究表明，腸道菌群可以通過微生物本身直接或代謝產(chǎn)物間接與腸道細(xì)胞相互作用，影響人體的免疫、神經(jīng)、代謝、內(nèi)分泌等多系統(tǒng)的功能，進(jìn)而造成各種慢性疾病，如腸道炎癥、自閉癥、糖尿病等多種疾病都與腸道菌群的紊亂相關(guān)。

張志剛在研究人體腸道微生物與疾病發(fā)生的關(guān)系時，綜合應(yīng)用了經(jīng)典生態(tài)學(xué)、進(jìn)化生物學(xué)、網(wǎng)絡(luò)生物學(xué)、基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)等研究方法和思路，并與中國科學(xué)院昆明動物研究所、云南省兄弟醫(yī)院單位進(jìn)行合作研究，初步搭建了與疾病診斷相關(guān)的微生態(tài)理論框架和技術(shù)體系。

“我們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)人體共生微生物發(fā)生移位（translocation）時，會大大增加疾病發(fā)生的復(fù)雜性和潛在風(fēng)險。”張志剛介紹說，比如，當(dāng)口腔唾液鏈球菌移位到腸道，就會促進(jìn)肝硬化并發(fā)輕型肝性腦病（MHE）的發(fā)生。因?yàn)榭谇煌僖烘溓蚓缓蛩孛福軌虼x尿素為胺，致腦中血胺積累，從而誘發(fā)MHE。因此該細(xì)菌被認(rèn)為是MHE患者腸道微生態(tài)功能修復(fù)的重要靶標(biāo)。又如，膽石癥患者的膽道微生物至少70%是與腸道同源的。

“此外，當(dāng)疾病發(fā)生發(fā)展到不同階段時，潛在的先導(dǎo)微生物可能也不相同?！睆堉緞?cè)鐢?shù)家珍般談起他的研究發(fā)現(xiàn)，“比如在結(jié)直腸癌早期階段，也就是息肉至腺瘤階段，可能起到誘導(dǎo)突變發(fā)生的驅(qū)動細(xì)菌和抗炎的乘客細(xì)菌（抑制驅(qū)動細(xì)菌）占據(jù)優(yōu)勢地位，而稍晚的階段，良性腺瘤發(fā)生癌變后，促炎乘客細(xì)菌逐漸代替了驅(qū)動細(xì)菌并加速了病程。又比如，剛才我們提到的口腔唾液鏈球菌，在正常健康的人轉(zhuǎn)為肝硬化再到肝硬化并發(fā)MHE發(fā)病的過程中，它在MHE階段的優(yōu)勢地位最為明顯……”

張志剛近年來關(guān)于人體腸道微生物與疾病之間的關(guān)系的理論成果十分豐碩。這些成果不僅揭示了人體生命系統(tǒng)的機(jī)制與規(guī)律，而且還可以幫助解決人類面臨的諸多健康疾病問題，為人體健康做出貢獻(xiàn)。

相得益彰，腸道微生物趨同動物適應(yīng)性進(jìn)化

在自然界中，當(dāng)環(huán)境條件發(fā)生變化時，動物會以某些適應(yīng)性行為及自身內(nèi)部的調(diào)節(jié)來適應(yīng)變化，如向其他地方遷徙、進(jìn)入冬眠、減少能量消耗等。動物適應(yīng)性進(jìn)化的過程實(shí)際上就是動物不斷提高生存能力的過程。而動物適應(yīng)性進(jìn)化涉及動物對高原、洞穴、水質(zhì)等生活環(huán)境的適應(yīng)，以及對食性轉(zhuǎn)換與特化的適應(yīng)等各個方面。

研究動物的適應(yīng)性進(jìn)化對理解生物的進(jìn)化機(jī)制具有非常重要的意義，特別是針對適應(yīng)高溫、高寒、低氧等極端環(huán)境的動物的研究，能對人類進(jìn)一步利用這些極端環(huán)境提供很好的思路和基礎(chǔ)。

而在我國，青藏高原是動物生存最極端的環(huán)境之一，耗牛等動物在長期適應(yīng)高原環(huán)境的過程中，逐漸形成了耐低氧、耐高寒和耐低熱量食物等特性。張志剛發(fā)現(xiàn)，與牦牛的能量代謝相關(guān)基因、低氧適應(yīng)相關(guān)基因的適應(yīng)性改變和擴(kuò)張等基因組的遺傳變異相比，其腸道微生物組的遺傳多樣性更豐富，可塑性更強(qiáng)。從腸道微生物視角出發(fā)，探討哺乳動物高原適應(yīng)的機(jī)制有望實(shí)現(xiàn)突破。由此，張志剛與施鵬研究員、龍瑞軍教授、趙方慶研究員展開了合作。

“與黃牛、普通綿羊等低海拔近緣物種相比，牦牛、藏綿羊等動物已經(jīng)很好地適應(yīng)了高原環(huán)境。通過研究牦牛、藏綿羊的胃腸道微生物發(fā)現(xiàn)，其結(jié)構(gòu)和功能發(fā)生了趨同的進(jìn)化。這樣一方面能夠協(xié)助宿主產(chǎn)生更多的能量物質(zhì)，如短鏈脂肪酸等，另一方面釋放更少的甲烷，而甲烷是瘤胃發(fā)酵的副產(chǎn)物。由此表明，腸道微生物穩(wěn)態(tài)的適應(yīng)性改變也是同域哺乳動物適應(yīng)進(jìn)化的新的驅(qū)動力?！睆堉緞傉f。后來，他與李志鵬研究員展開了進(jìn)一步的合作。這次他們以梅花鹿為例，以人工馴化條件下攝食玉米秸稈為參照，喂食天然條件下采食的柞樹葉（富含單寧）后，梅花鹿體內(nèi)的瘤胃微生物群落結(jié)構(gòu)和發(fā)酵模式發(fā)生了適應(yīng)性改變。在高單寧的極端營養(yǎng)脅迫下，瘤胃微生物，包括細(xì)菌、古菌、真菌以及原蟲，都做出了快速的響應(yīng)，由此腸道微生物重塑并維持了與動物宿主的互利共生關(guān)系。這對動物本身的健康及對極端環(huán)境的適應(yīng)是極其有利的。

張志剛將其研究成果進(jìn)行了整理匯總，并以第一作者或共同通訊作者的身份發(fā)表了5篇SCI論文。這些發(fā)現(xiàn)，夯實(shí)了腸道微生物在動物適應(yīng)進(jìn)化過程中的作用，也為從瘤胃微生物角度改善或促進(jìn)反芻動物營養(yǎng)健康提供了重要的參考。2017年10月，由中國生態(tài)學(xué)會動物生態(tài)學(xué)專業(yè)委員會、中國動物學(xué)會獸類學(xué)分會、中國野生動物保護(hù)協(xié)會科技委員會、國際動物學(xué)會和四川省動物學(xué)會主辦的第十三屆全國野生動物生態(tài)與資源保護(hù)學(xué)術(shù)研討會召開。張志剛受邀出席并作了題為“Hologenomes and Adaptive Evolution in Animals”的特邀報告。這是對這一研究成果的肯定，更是對張志剛多年付出的回報。

史無前例，在熊蜂物種中發(fā)現(xiàn)腸型分化

除了在醫(yī)療健康以及生態(tài)領(lǐng)域的應(yīng)用，腸道微生物學(xué)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域也有著重要的地位。隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化和集約化的發(fā)展，昔日野生授粉昆蟲賴以生存的生境被破壞、大量農(nóng)藥的使用、單一作物的大面積種植、各種病原微生物的流行及外來入侵生物的影響等多種因素導(dǎo)致野生授粉昆蟲的種群數(shù)量銳減，再加上設(shè)施農(nóng)業(yè)的飛速發(fā)展，勞動力成本的快速上升，無公害食品需求迫切，使得昆蟲授粉越來越體現(xiàn)出其重要性。

在我國，熊蜂物種多樣性最為豐富，是除蜜蜂之外最為重要的授粉昆蟲，對于農(nóng)業(yè)授粉和生物多樣性的維持具有重要的作用。張志剛從腸道微生物的視角出發(fā)，試圖通過破解腸道微生物與熊蜂健康的關(guān)系，來充分保護(hù)和利用熊蜂物種。

張志剛請來了李繼蓮研究員和美國科學(xué)院院士Nancy A. Moran，調(diào)查了迄今為止最多的28個中國野生熊蜂物種腸道菌群的多樣性情況。他們發(fā)現(xiàn)，熊蜂腸道微生物存在兩種保守的生態(tài)型，且獨(dú)立于熊蜂物種的遺傳分化和地理分布的差異。一種生態(tài)型是由Gilliamella和Snodgrassella菌群組成，這兩類菌群在蜜蜂中也存在，屬于健康授粉昆蟲穩(wěn)定的微生態(tài)類型；另一種生態(tài)型主要是由環(huán)境性菌群組成，且含有一些條件致病菌，如哈夫尼菌屬（Hafnia）和沙雷氏菌屬（Serratia），幾乎占到我國野生熊蜂群體的50%的比例。這是繼在人類、大猩猩等哺乳動物身體內(nèi)發(fā)現(xiàn)腸道微生物存在特定生態(tài)型后，首次在傳粉昆蟲熊蜂上發(fā)現(xiàn)。這一突破性的發(fā)現(xiàn)，讓三位專家驚喜不已，他們選取了不同生殖生理狀態(tài)下的蜂王，試圖比較其腸道菌群總的含量及多樣性和構(gòu)成?！霸谖唇慌浜彤a(chǎn)卵蜂王中，腸道菌群較為相似，主要優(yōu)勢菌為Gilliamella、Snodgrassella和Lactobacillus，但Bifidobacterium則只在產(chǎn)卵蜂王中含量相對較高，而在交配蜂王的腸道中優(yōu)勢菌屬則為Bacillus、Lactococcus和Pseudomonas。”

腸道微生物整合生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室全體成員

該研究首次闡明了熊蜂蜂王的重要生命階段的腸道菌群及優(yōu)勢菌群的變化與其生殖健康的關(guān)系，有助于人們了解蜂王生理、行為及生存環(huán)境的變化與其相關(guān)微生物類群之間可能存在的聯(lián)系，為進(jìn)一步研究蜂王腸道優(yōu)勢菌在不同生殖狀態(tài)下的功能奠定了基礎(chǔ)，同時也提示了腸道菌群可能介導(dǎo)了蜂王的生殖健康。

張志剛的研究深刻地表明了腸型在野生動物健康監(jiān)測方面意義重大。后期Nancy A. Moran等人證實(shí)了抗生素誘導(dǎo)下部分條件致病菌轉(zhuǎn)換成致病菌，說明過度使用抗生素或農(nóng)藥對授粉昆蟲健康威脅極大，這為我國野生熊蜂物種的保護(hù)敲響了警鐘。

春種秋收，耕耘不輟。談及2020年主要開展的工作，張志剛介紹，課題組正在圍繞幾個不同的問題開展研究：一是高原微生物多樣性保護(hù)和可持續(xù)利用問題，二是動物腸道微生物組與動物高原低氧適應(yīng)問題。目前都已取得階段性成果。

回首科研路，除了那些熠熠生輝的科研成果，張志剛更感懷的是幫助過他的親朋師友們。在中國科學(xué)院昆明動物研究所，正是因?yàn)槭i研究員曾給予他的鼎力支持，才讓他在腸道微生物的研究中不斷取得突破、收獲成長，兩人也在工作中建立了深厚的友誼。在云南大學(xué)，云南生物資源保護(hù)和利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任張克勤也是這樣不遺余力地給他支持、給他鼓勵，讓他在云南大學(xué)掀開了事業(yè)發(fā)展新的篇章，取得了新的突破。

自助者天助之。懷著對過去的感恩，對于未來，張志剛信心滿滿：“近年來，隨著科技的發(fā)展，我們的科研條件越來越好，這給我們的研究發(fā)現(xiàn)提供了極大的便利。不馳于空想、不騖于虛聲，科學(xué)研究沒有捷徑，唯有踏踏實(shí)實(shí)，一步一個腳印地向前走，才能有所收獲。相信未來，胃腸道微生物宏基因組學(xué)研究的內(nèi)涵和定義將由我們自己來界定?！?/p>