合成微生物群落研究進(jìn)展

曲澤鵬，陳沫先，曹朝輝，左文龍，陳業(yè)，戴磊

（中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院，深圳合成生物學(xué)創(chuàng)新研究院，中國(guó)科學(xué)院定量工程生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 深圳518055）

1 合成微生物群落

合成微生物群落是人工合成的多個(gè)物種共培養(yǎng)的微生物體系（包括野生型和基因組改造的微生物）［1-3］。微生物群落數(shù)量龐大、分布廣泛，在自然生態(tài)系統(tǒng)中扮演著重要角色［4］。近年來，研究發(fā)現(xiàn)微生物群落與人體健康［5-6］、植物抗逆［7］息息相關(guān)，在天然產(chǎn)物生產(chǎn)、食品、釀造業(yè)、生物能源［8］、環(huán)境治理［9］等多個(gè)領(lǐng)域也有著重要作用。相比于單一菌株，微生物群落可以更好地適應(yīng)環(huán)境變化，在代謝上分工協(xié)作，催化更為復(fù)雜的反應(yīng)。合成微生物群落可以作為簡(jiǎn)化的模型系統(tǒng)，來研究微生物群落的結(jié)構(gòu)和功能。隨著DNA 測(cè)序技術(shù)的發(fā)展和測(cè)序成本的降低，關(guān)于微生物群落的研究不斷增加［10］，但是我們?nèi)匀蝗狈?duì)微生物群落功能的分子機(jī)制和生態(tài)機(jī)制的理解［11］。合成微生物群落未來的研究方向，是運(yùn)用建物致知、建物致用的理念和合成生物學(xué)、定量生物學(xué)的方法，對(duì)微生物群落進(jìn)行精準(zhǔn)的調(diào)控和改造，解決人類健康、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域的重要問題。

合成微生物群落屬于合成生物學(xué)和微生物組學(xué)的交叉領(lǐng)域，是新興的研究方向。根據(jù)Web of Science 檢索結(jié)果和統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，近十年來，合成微生物群落的相關(guān)文章逐年增加［圖1（a）］。目前為止，在合成微生物群落研究領(lǐng)域，美國(guó)研究者發(fā)表的文章數(shù)量占比34.3%，中國(guó)研究者占比12.7%，位居第二［圖1（b）］。

本文介紹了微生物群落的生態(tài)研究，合成微生物群落的研究方法和技術(shù)，合成微生物群落的應(yīng)用。

圖1 合成微生物群落領(lǐng)域的研究趨勢(shì)Fig.1 Research trends in synthetic microbial communities

2 微生物群落的生態(tài)研究

微生物群落并不是許多各自獨(dú)立的微生物湊在一起，它是一個(gè)在資源競(jìng)爭(zhēng)、營(yíng)養(yǎng)共生、群體感應(yīng)、基因水平轉(zhuǎn)移等相互作用機(jī)制下形成的復(fù)雜生態(tài)系統(tǒng)。微生物群落結(jié)構(gòu)的形態(tài)是微生物之間、微生物與宿主和環(huán)境共同作用的結(jié)果［圖2（a）］。在復(fù)雜的自然微生物群落中研究這些相互作用，以現(xiàn)有的技術(shù)和工具十分困難；組成明確的合成微生物群落在研究物種相互作用、群落組裝、生態(tài)穩(wěn)定性等問題方面有著明顯的優(yōu)勢(shì)。

2.1 微生物之間的相互作用

微生物與微生物的相互作用決定了群落結(jié)構(gòu)［12-13］。通過合成菌群建立起的菌群互作網(wǎng)絡(luò)可用于預(yù)測(cè)群落的生態(tài)穩(wěn)定性［14］，干預(yù)和調(diào)控群落結(jié)構(gòu)，預(yù)測(cè)關(guān)鍵物種［15］等。根據(jù)菌群相互作用的利弊關(guān)系［圖2（b）］，有利（+）、不利（?）和中立（0），可分為6種不同的相互作用情況［1，16-17］（表1）：互利共生（+/+），偏利共生（+/0），偏害共生（?/0），寄生或捕食（+/?），競(jìng)爭(zhēng)（?/?）和中立（0/0）。

群落中關(guān)鍵物種的變化，將會(huì)造成菌落結(jié)構(gòu)的劇烈變化。Niu 等［27］在玉米根際人工構(gòu)建了由7 個(gè)菌組成的合成菌群，通過經(jīng)典的移除或添加實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)陰溝腸桿菌（Enterobacter cloacae）被移除時(shí)群落會(huì)完全解體，并且由極小短小桿菌（Curtobacterium pusillum）代替，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)了陰溝腸桿菌為該合成群落的關(guān)鍵物種。

微生物之間的相互作用可以通過合成生物學(xué)的工具進(jìn)行改造。目前，改造相互作用關(guān)系的研究主要利用大腸桿菌和酵母菌等模式微生物，包括［28］：

①基于群體感應(yīng)系統(tǒng)（quorum sensing，QS）改造相互作用模式［29-32］。細(xì)菌之間可以通過QS 信號(hào)分子，比如高絲氨酸內(nèi)酯（Acyl-HSL）、自誘導(dǎo)物-2（autoinducer-2，AⅠ-2）、寡肽類分子（AⅠ-P）等進(jìn)行交流。在合成微生物群落中，可以通過改造QS 系統(tǒng)來調(diào)控菌群行為。例如，Balagadde等［29］通過在兩株大腸桿菌建立QS 雙向通訊，調(diào)控細(xì)胞自殺基因及其抑制途徑的表達(dá)水平，來模擬微生物之間的捕食或寄生的關(guān)系。Kong等［33］利用群體感應(yīng)分子乳酸鏈球菌肽（nisin）和抗菌肽（lcnA） 的模塊化合成途徑在乳酸鏈球菌（Lactococcus lactis）模擬了菌群的6 種相互作用模式。此外，Liu 等［13］在兩株乳酸鏈球菌中分別表達(dá)抗菌肽（lcnG）的α 亞基和β 亞基，模擬了菌群間的合作關(guān)系，并且證明了相互作用的改變是菌群結(jié)構(gòu)變化的關(guān)鍵因素。

圖2 影響合成微生物群落結(jié)構(gòu)的重要因素［14］Fig.2 Ecological factors that shape the structure of microbial communities[14]

表1 微生物相互作用類型的研究案例Tab.1 Examples of different types of microbial interactions

②基于營(yíng)養(yǎng)互補(bǔ)關(guān)系改造相互作用模式［18，34-35］。例如，Shou 等［18］通過在賴氨酸營(yíng)養(yǎng)缺陷型釀酒酵母中引入腺嘌呤合成途徑、同時(shí)在腺嘌呤營(yíng)養(yǎng)缺陷型釀酒酵母中引入賴氨酸合成途徑，構(gòu)造營(yíng)養(yǎng)互補(bǔ)的酵母菌群，來模擬微生物之間的互利共生關(guān)系。

2.2 影響微生物群落的其他因素

定植于宿主的微生物群落受到宿主代謝產(chǎn)物和免疫系統(tǒng)的影響。例如，三萜類化合物是植物產(chǎn)生的次級(jí)代謝物中結(jié)構(gòu)最為豐富的化合物家族之一，Huang 等［36］發(fā)現(xiàn)其在調(diào)節(jié)擬南芥根際微生物群落中起著關(guān)鍵作用。此外，植物免疫系統(tǒng)對(duì)微生物組的組裝具有積極作用，并通過響應(yīng)環(huán)境變化控制微生物穩(wěn)態(tài)［37］。在動(dòng)物宿主的腸道微生物研究中，發(fā)現(xiàn)了宿主對(duì)微生物組成的選擇作用［38］。Roeselers等［39］比較了自然棲息地生長(zhǎng)的斑馬魚和實(shí)驗(yàn)室設(shè)施中世代飼養(yǎng)的斑馬魚的腸道細(xì)菌群落，發(fā)現(xiàn)它們的腸道菌群成員驚人地相似，都有一個(gè)共同的核心腸道菌群。

微生物群落的結(jié)構(gòu)還受到所處的環(huán)境中諸多因素的影響，比如碳源、氮源、pH、氧氣含量、溫度等［40］。大量環(huán)境樣本的測(cè)序數(shù)據(jù)表明微生物的群落結(jié)構(gòu)和功能基因的表達(dá)受到環(huán)境因子的影響［41-43］。這些環(huán)境因子可以直接影響某些物種的生長(zhǎng)，也可以改變微生物相互作用關(guān)系［44］，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)群落結(jié)構(gòu)的改變。Hu等［30］通過改變環(huán)境因子造成了合成生態(tài)系統(tǒng)的滅亡、互利共生和偏利共生等動(dòng)力學(xué)行為。Garcia 等［45］發(fā)現(xiàn)環(huán)境溫度的變化會(huì)造成微生物群落多樣性和功能關(guān)系的變化。

此外，微生物群落與噬菌體密切相關(guān)。噬菌體具有高度宿主特異性，可以降低特定宿主菌的豐度，釋放生態(tài)位空間和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，從而改變微生物群落的組成和多樣性。Wang等［46］利用田間分離的4株噬菌體組合，顯著降低了青枯病病原菌的豐度，并且增加了群落多樣性。Hsu 等［47］在攜帶組成明確的菌群的小鼠體內(nèi)，研究了噬菌體對(duì)腸道菌群的影響，發(fā)現(xiàn)噬菌體可以直接減少靶細(xì)菌的數(shù)量，并通過菌群互作產(chǎn)生級(jí)聯(lián)效應(yīng)，影響其他物種和腸道代謝組。

3 合成微生物群落的研究方法

Lawson 等［48］提出以設(shè)計(jì)-構(gòu)建-測(cè)試-學(xué)習(xí)（design-build-test-learn）循環(huán)為核心（圖3），開發(fā)新的實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析技術(shù)，促進(jìn)微生物群落生態(tài)學(xué)的基礎(chǔ)研究，推動(dòng)合成微生物群落的發(fā)展，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)微生物群落組成和功能的精準(zhǔn)調(diào)控和改造。以下將從設(shè)計(jì)、構(gòu)建、測(cè)試、學(xué)習(xí)4個(gè)方面，介紹微生物群落研究中重要的方法和技術(shù)。

3.1 設(shè) 計(jì)

微生物群落互作網(wǎng)絡(luò)高度復(fù)雜，傳統(tǒng)微生物群落設(shè)計(jì)通常采用自上而下的方法，即通過在生物反應(yīng)器中優(yōu)化物理化學(xué)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)所需群落功能的最大化。然而，自上而下的方法忽略了微生物群落的代謝網(wǎng)絡(luò)和成員之間的相互作用，限制了我們通過分子尺度對(duì)群落功能進(jìn)行優(yōu)化。隨著測(cè)序技術(shù)和多組學(xué)分析手段的出現(xiàn)，使得基于菌群相互作用和代謝網(wǎng)絡(luò)的自下而上的設(shè)計(jì)方法成為可能。

基于對(duì)菌群互作和代謝網(wǎng)絡(luò)模型的理解，設(shè)計(jì)合成菌群來獲得具有特定功能的微生物群落，例如代謝產(chǎn)物表達(dá)、宿主互作等。Bucci 等［49］構(gòu)建的微生物組-免疫系統(tǒng)模型，用于預(yù)測(cè)特定腸道菌群的穩(wěn)態(tài)組成以及其誘導(dǎo)Treg 免疫細(xì)胞的能力，可以輔助設(shè)計(jì)最優(yōu)的誘導(dǎo)Treg 細(xì)胞的合成菌群。Zhao 等［50］從產(chǎn)丁醇的工程大腸桿菌出發(fā)，通過自下而上的設(shè)計(jì)方法以及基因工程的手段，構(gòu)建出對(duì)己糖和戊糖高效協(xié)同利用的“Y-型”合成菌群。在該研究中，為了實(shí)現(xiàn)菌群共存和代謝分工的目的，分別構(gòu)造了特異性利用己糖和戊糖的菌株，兩菌株產(chǎn)生相同的中間代謝產(chǎn)物，最后經(jīng)過丁醇合成途徑形成丁醇。設(shè)計(jì)合成菌群來研究微生物生態(tài)學(xué)的基本原理，進(jìn)而指導(dǎo)對(duì)復(fù)雜微生物群落的精準(zhǔn)改造。Liu 等［13］通過構(gòu)建相互作用可調(diào)節(jié)的合成菌群來模擬自然界菌群相互作用的變化，發(fā)現(xiàn)相互作用的可變性在生態(tài)系統(tǒng)演替中的關(guān)鍵作用。進(jìn)而將相互作用的可變性引入到數(shù)學(xué)模型中，成功解釋了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。然而，自下而上的設(shè)計(jì)方法在對(duì)非模式生物的研究中還存在各種問題，包括代謝網(wǎng)絡(luò)模型的準(zhǔn)確性和完整性，大量基因和代謝產(chǎn)物的功能未知，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)和代謝調(diào)節(jié)的理解有限［51］。

3.2 構(gòu) 建

自下而上構(gòu)建合成微生物群落的前提是微生物可培養(yǎng)。培養(yǎng)組學(xué)的發(fā)展使得自然微生物群落中有更多的微生物可以被培養(yǎng)，使得構(gòu)建組成更加多樣的微生物群落成為可能。培養(yǎng)組學(xué)利用多種培養(yǎng)條件，結(jié)合菌落快速鑒定技術(shù)，實(shí)現(xiàn)菌種資源的發(fā)掘和鑒定［52-54］。Lagier 等［55］利用多種培養(yǎng)方法，結(jié)合飛行時(shí)間質(zhì)譜（MALDⅠ-TOF-MS）和16S rRNA 測(cè)序分析，對(duì)30 000 個(gè)菌落進(jìn)行快速鑒定，從人體糞便樣品中分離出分布在117個(gè)屬中的340種菌。Bai等［56］通過改良微生物培養(yǎng)條件和分類鑒定技術(shù)，分離了12 500 個(gè)擬南芥根系菌，占自然界生長(zhǎng)的擬南芥根際菌的64%。此外，常規(guī)培養(yǎng)基難以培養(yǎng)微生物菌群中的所有菌種，基于16S rRNA 或者基因組序列預(yù)測(cè)的特定培養(yǎng)基，大大增加了可培養(yǎng)的微生物數(shù)量［57-58］。

圖3 “設(shè)計(jì)-構(gòu)建-測(cè)試-學(xué)習(xí)”循環(huán)［12］Fig 3 The schematic diagram of Design-Build-Test-Learn principle[12]

為了提高構(gòu)建的通量和精準(zhǔn)度，構(gòu)建合成微生物群落需要借助自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)技術(shù)。Ⅴenturelli等［12］通過自動(dòng)移液工作站構(gòu)建了12個(gè)人體腸道菌種的兩兩組合菌群，通過擬合廣義Lotka-Ⅴolterra生態(tài)模型，發(fā)現(xiàn)可以通過兩兩相互作用來預(yù)測(cè)群落組裝的過程。自動(dòng)移液工作站可以構(gòu)建不同物種數(shù)量和比例的組合，但是實(shí)驗(yàn)通量（約103個(gè)群落/天）有一定局限。微流控技術(shù)可同時(shí)組裝和測(cè)量數(shù)以萬(wàn)計(jì)的微生物群落的活動(dòng)，能夠?qū)ξ⑸锵嗷プ饔眠M(jìn)行高通量篩選，大大提高了構(gòu)建和測(cè)試的通量［59-61］。Kehe 等［62］開發(fā)的 kChip 技術(shù)，達(dá)到每天組裝10 萬(wàn)個(gè)合成群落的規(guī)模，可以在不同環(huán)境條件下，如抗生素、天然產(chǎn)物、碳源等，對(duì)熒光標(biāo)記和非熒光標(biāo)記菌株進(jìn)行快速功能分析。研究人員等［63］通過kChip 技術(shù)，高通量構(gòu)建了＞15 萬(wàn)個(gè)成對(duì)菌群，發(fā)現(xiàn)了正相互作用的普遍性及其和環(huán)境中碳源的關(guān)系。然而，微流控技術(shù)的應(yīng)用仍存在一些問題，包括精準(zhǔn)檢測(cè)液滴中的微生物、避免交叉污染等［59，61］。

3.3 測(cè) 試

目前用于研究微生物群落組成和功能的測(cè)試方法包括：多組學(xué)分析（宏基因組學(xué)、宏轉(zhuǎn)錄組學(xué)、宏蛋白質(zhì)組學(xué)和宏代謝組學(xué)），用于鑒定微生物群落的物種和功能［64-66］；熒光成像技術(shù)，用于研究微生物群落的時(shí)空分布［67］；同位素示蹤技術(shù)，用于測(cè)量微生物組的代謝通量［68-69］；質(zhì)譜成像技術(shù)，用于研究微生物群體之間的化學(xué)相互作用［70-72］。

多組學(xué)分析技術(shù)，包括擴(kuò)增子測(cè)序、宏基因組學(xué)、宏轉(zhuǎn)錄組學(xué)、宏蛋白質(zhì)組學(xué)和宏代謝組學(xué)的進(jìn)步，有助于我們打開微生物系統(tǒng)的黑盒子，了解特定的基因、物種和代謝途徑在生態(tài)系統(tǒng)中扮演的角色，對(duì)潛在調(diào)控機(jī)制和功能基因進(jìn)行研究和發(fā)掘［73］。隨著對(duì)人體微生物組、環(huán)境微生物組的多組學(xué)研究不斷深入，與特定疾病或環(huán)境相關(guān)的微生物物種、基因、蛋白質(zhì)和代謝產(chǎn)物正在被發(fā)現(xiàn)。宏基因組數(shù)據(jù)可以有效互補(bǔ)擴(kuò)增子測(cè)序中所得到菌種的功能基因信息，為預(yù)測(cè)微生物群落的潛在功能特性和分離培養(yǎng)提供了重要依據(jù)［74］。宏轉(zhuǎn)錄組學(xué)和宏蛋白質(zhì)組學(xué)提供了微生態(tài)系統(tǒng)中存在的RNA 和蛋白質(zhì)豐度［75-76］。將宏基因組、宏轉(zhuǎn)錄組學(xué)和宏蛋白質(zhì)組的數(shù)據(jù)相結(jié)合，可以分析微生物群落在特定環(huán)境下的基因組成和基因表達(dá)信息，為進(jìn)一步的功能研究提供基礎(chǔ)［77-79］。

自然界中的微生物群落存在明顯的空間分布異質(zhì)性［80-83］。使用熒光成像技術(shù)對(duì)微生物進(jìn)行原位觀察，可幫助我們獲取微生物群落的豐度以及空間結(jié)構(gòu)信息。比如，通過研究定植于宿主的微生物群落的空間結(jié)構(gòu)，可以揭示微生物之間的相互作用以及宿主-微生物的相互作用?，F(xiàn)有的熒光成像技術(shù)主要包括：通過改造特定的微生物表達(dá)熒光蛋白，通過化學(xué)修飾的方法對(duì)特定微生物進(jìn)行代謝標(biāo)記，以及基于16S rRNA 的熒光原位雜交技術(shù)［84-87］。對(duì)活細(xì)菌進(jìn)行標(biāo)記的熒光蛋白和代謝成像，可以實(shí)時(shí)示蹤微生物在時(shí)空上的動(dòng)態(tài)變化［85-86］。熒光原位雜交技術(shù)可以定位微生物在微米尺度上的生物分布，有助于充分理解微生物群落的組裝、生理生態(tài)和相互作用［88］；根據(jù)所設(shè)計(jì)探針的特異性高低，熒光原位雜交可以實(shí)現(xiàn)從細(xì)菌種水平到門水平等不同層次的標(biāo)記。結(jié)合高通量的測(cè)序技術(shù)，基于熒光成像技術(shù)獲取的空間結(jié)構(gòu)信息為理解復(fù)雜微生物群落的組成、代謝、與宿主的互作等提供了重要的基礎(chǔ)［89-90］。

3.4 學(xué) 習(xí)

通過對(duì)測(cè)試階段獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行定量分析和數(shù)學(xué)建模，完成對(duì)微生物的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)、微生物代謝、微生物與宿主的互作等機(jī)制的學(xué)習(xí)，來指導(dǎo)合成菌群的調(diào)控和優(yōu)化，開啟新的設(shè)計(jì)-構(gòu)建-測(cè)試-學(xué)習(xí)循環(huán)。

數(shù)學(xué)模型可以幫助我們理解微生物群落的組成和相互作用［91］，預(yù)測(cè)抗生素、益生元等干預(yù)對(duì)群落結(jié)構(gòu)和功能的影響，進(jìn)而指導(dǎo)合成菌群的設(shè)計(jì)［73］。通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)學(xué)模型預(yù)期的差異，可以幫助我們發(fā)現(xiàn)新的作用機(jī)制、通路或者互作關(guān)系。例如，如果基于全基因組的代謝通路模型的預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)得到的群落的生理現(xiàn)象不符，則說明代謝網(wǎng)絡(luò)不完整或基因標(biāo)注有錯(cuò)誤，進(jìn)而可以增加我們對(duì)代謝通路的認(rèn)識(shí)［92］。數(shù)學(xué)模型可以研究常規(guī)實(shí)驗(yàn)難以研究的生態(tài)系統(tǒng)特性，幫助我們理解實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象背后的機(jī)制?；谏鷳B(tài)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)學(xué)模型，發(fā)現(xiàn)了群落穩(wěn)定性與負(fù)相互作用在群落中的比例有關(guān)［14］；揭示了群落的多穩(wěn)態(tài)［93-94］和優(yōu)先效應(yīng)［95-96］等現(xiàn)象的機(jī)制。

目前，合成微生物群落研究中比較常見的數(shù)學(xué)模型之一是廣義Lotka-Ⅴolterra 模型（generalized Lotka-Ⅴolterra model，簡(jiǎn)稱 gLⅤ），用于描述不同物種的豐度隨時(shí)間的變化［12，97-101］。例如，Bucci等［102］開發(fā)的MDSⅠNE軟件利用菌群豐度的時(shí)序數(shù)據(jù)擬合gLⅤ模型的參數(shù)，可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)合成微生物群落的動(dòng)態(tài)變化，識(shí)別維持群落穩(wěn)定性的關(guān)鍵菌種，優(yōu)化用于抑制病原菌生長(zhǎng)的合成群落設(shè)計(jì)。此外，常見的數(shù)學(xué)模型包括：代謝網(wǎng)絡(luò)模型，用于描述群落中每個(gè)成員的代謝流［103］；消費(fèi)者-資源模型，用于描述物種豐度和關(guān)鍵代謝物濃度隨時(shí)間的變化［104-106］。

4 合成微生物群落的應(yīng)用

4.1 疾病治療

人體腸道菌群是一個(gè)動(dòng)態(tài)的復(fù)雜微生物群落［107-108］，在新陳代謝、抵御病原體入侵和調(diào)控免疫系統(tǒng)反應(yīng)等方面發(fā)揮著多種作用［109-111］。人體腸道菌群與宿主疾病密切相關(guān)，如肥胖［112-115］、糖尿病［116-119］等。調(diào)控腸道菌群被認(rèn)為是治療菌群失衡相關(guān)疾病的最有潛力的方法之一［120-121］。糞菌移植（fecal microbiota transplantation）已被用于治療艱難梭菌感染［122］、炎癥性腸病（inflammatory bowel disease）［123］等。例如，Zhang等［124］利用FMT臨床治療了一例嚴(yán)重克羅恩病患者。然而，健康的糞菌移植菌群資源有限，而且組成復(fù)雜，治療機(jī)理不清晰，存在一定風(fēng)險(xiǎn)。相比于糞菌移植，合成微生物群落具有明顯優(yōu)勢(shì)：組成明確，與宿主的相互作用相對(duì)清晰，并可重復(fù)制備［125］。近年來，合成微生物群落被用于改善艱難梭菌感染、自身免疫病［126］、炎癥性腸病治療［127］和輔助癌癥免疫治療［128］等，在動(dòng)物模型中取得了良好的效果，部分已經(jīng)進(jìn)入臨床試驗(yàn)階段。Honda 團(tuán)隊(duì)［126］根據(jù)梭狀芽孢桿菌在增加Treg細(xì)胞的細(xì)胞豐度和誘導(dǎo)重要抗炎分子方面的作用，分離并篩選了17 株梭狀芽孢桿菌，通過口服這些菌株，改善了成年小鼠的結(jié)腸炎和過敏性腹瀉癥狀?；谶@項(xiàng)研究構(gòu)建的合成菌群ⅤE202，被用于治療炎癥性腸病，目前已進(jìn)入臨床試驗(yàn)。此外，Honda 團(tuán)隊(duì)［128］從健康的人體糞便中分離出11 株可以誘導(dǎo)γ-干擾素產(chǎn)生的CD8 T細(xì)胞的菌株，構(gòu)建的合成菌群被用于癌癥的免疫輔助治療，目前也已進(jìn)入臨床試驗(yàn)。

4.2 植物生長(zhǎng)和抗逆

定植于植物宿主的微生物群落，如根際微生物群落，在調(diào)節(jié)植物健康生長(zhǎng)和脅迫抗性方面發(fā)揮著重要作用［129］。在植物營(yíng)養(yǎng)方面，Zhang 等［130］發(fā)現(xiàn)水稻根系微生物群落有利于植物對(duì)有機(jī)氮的利用；Finkel 等［131］運(yùn)用合成微生物群落揭示植物磷脅迫響應(yīng)與其共生微生物的互作關(guān)系；研究人員通過比較植物突變株與野生型的微生物群落，發(fā)現(xiàn)水楊酸介導(dǎo)的植物先天免疫［132］和磷酸饑餓途徑［133］對(duì)微生物群落結(jié)構(gòu)的影響。同時(shí)，植物共生微生物可以有效預(yù)防病原菌的入侵［134］。例如：Durán Paloma 等［135］發(fā)現(xiàn)擬南芥根際微生物可使其免受絲狀真菌的侵害；南京農(nóng)業(yè)大學(xué)微生態(tài)與根際健康團(tuán)隊(duì)［136］利用合成菌群增強(qiáng)細(xì)菌間競(jìng)爭(zhēng)性互作，以更好地預(yù)防土傳病害青枯菌的入侵；Carlstr?m 等［96］運(yùn)用合成群落，鑒定出影響植物葉面微生物組的關(guān)鍵菌株以及其調(diào)控微生物群落抵御外來入侵菌種的生態(tài)學(xué)理論。此外，通過組成明確的合成微生物群落和植物基因型以及成分確定的營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)和培養(yǎng)條件，使得實(shí)驗(yàn)具有更高的可重復(fù)性，便于揭示微生物群落結(jié)構(gòu)與植物表型的因果關(guān)系［137］。目前合成微生物群落的研究主要是模式植物中的基礎(chǔ)研究，在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的主要肥料和農(nóng)藥產(chǎn)品為單菌制劑［138］，簡(jiǎn)單群落如3～5 個(gè)合成菌群制劑在國(guó)外公司的少許產(chǎn)品中也有推廣［139］。例如，美國(guó)的Pivot Bio以及Joyn Bio生物公司，將合成生物學(xué)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，對(duì)植物共生固氮微生物進(jìn)行改造和應(yīng)用，以減少氮肥對(duì)環(huán)境的影響。

4.3 在其他領(lǐng)域的應(yīng)用

此外，合成微生物群落在釀造業(yè)、生物能源、天然產(chǎn)物合成、環(huán)境治理、生態(tài)恢復(fù)等多個(gè)領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用空間［140］。

4.3.1 釀造業(yè)

在酒類飲料以及食品調(diào)味物質(zhì)釀造中，可以通過合成微生物群落增加產(chǎn)量和風(fēng)味物質(zhì)。王麗娟［141］利用酒醪對(duì)醋醅微生物進(jìn)行批次傳代馴化，形成了醋酸菌WS8（Acebactersp.WS8）、乳桿菌L7（Lactobacillussp.L7）、乳桿菌L8（Lactobacillussp.L8）和不可培養(yǎng)的乳桿菌clone22（Lactobacillussp.clone22）為主的功能微生物群落，其產(chǎn)醋酸和乙偶姻能力顯著提高。Wu 等［142］將芝麻香型白酒釀造體系中的5個(gè)優(yōu)勢(shì)種共培養(yǎng)后，積累了更多的風(fēng)味物質(zhì)。

4.3.2 生物能源

利用可再生的木質(zhì)素和纖維素生產(chǎn)的乙醇被認(rèn)為是未來化石燃料的替代品，然而纖維素的降解效率低限制了其應(yīng)用［143］。Patle 等［8］構(gòu)建了由運(yùn)動(dòng)發(fā)酵單胞菌（Zymomonas mobilis）和假絲酵母（Candida tropicalis）組成的合成菌群，將來自果蔬的廢棄物轉(zhuǎn)化為乙醇，乙醇得率高達(dá)97.7%。

4.3.3 天然產(chǎn)物合成

基于合成菌群的混合發(fā)酵體系，通過引入微生物之間的相互作用，激活沉默基因的表達(dá)，是誘導(dǎo)次生代謝的重要方法［144］。Schroeckh Ⅴolker等［145］將構(gòu)巢曲霉（Aspergillus nidulans）和吸水鏈霉菌（Streptomyces hygroscopicus）共培養(yǎng)，激活了構(gòu)巢曲霉中聚酮合酶PKS的基因簇。Zhou等［146］利用釀酒酵母和大腸桿菌分工合成了抗癌藥物紫杉醇前體，同樣的方法也用于合成丹參酮前體和功能化倍半萜。

4.3.4 環(huán)境治理和生態(tài)恢復(fù)

農(nóng)藥的過度使用已經(jīng)對(duì)環(huán)境造成了嚴(yán)重破壞甚至威脅到公眾健康［147］。Dejonghe 等［148］發(fā)現(xiàn)農(nóng)藥利谷隆降解菌群中，貪噬菌WDL1（Variovoraxsp.WDL1）可以用利谷隆為碳氮源生長(zhǎng)，并將其降解為中間產(chǎn)物，然后食酸戴爾福特菌WDL34（Delftia acidovoransWDL34）和睪丸酮叢毛單胞菌WDL7（Comamonas testosteroniWDL7）可以降解這些中間產(chǎn)物。通過設(shè)計(jì)具有特定污染物降解功能的合成菌群，可以對(duì)環(huán)境污染進(jìn)行原位或異位治理。陸地生態(tài)系統(tǒng)功能和穩(wěn)定性取決于植物的組成和多樣性，而叢枝菌根真菌（arbuscular mycorrhizal fungi）對(duì)于維持植被的多樣性至關(guān)重要［149］。合成菌群可應(yīng)用于退耕還林、草場(chǎng)生物多樣性的恢復(fù)。

5 展 望

合成微生物群落是合成生物學(xué)和微生物組學(xué)兩個(gè)領(lǐng)域交叉形成的新興前沿研究［150］。在本文中，我們總結(jié)了合成微生物群落的研究進(jìn)展，主要聚焦微生物群落生態(tài)學(xué)、設(shè)計(jì)-構(gòu)建-測(cè)試-學(xué)習(xí)的研究方法、合成菌群在多個(gè)不同領(lǐng)域的應(yīng)用。然而，合成微生物群落研究仍然存在很多重要的問題有待解決：

①如何構(gòu)建可控、穩(wěn)定的微生物互作網(wǎng)絡(luò)。目前針對(duì)微生物群落中物種相互作用的改造仍然局限于模式生物的體系，未來的研究需要構(gòu)建更多的細(xì)胞間交流元件和調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)，需要進(jìn)一步理解微生物相互作用網(wǎng)絡(luò)和群落穩(wěn)定性的生態(tài)學(xué)規(guī)律。

②如何表征和控制微生物群落的空間結(jié)構(gòu)。目前對(duì)不同環(huán)境下微生物群落的三維結(jié)構(gòu)進(jìn)行原位分析存在很多局限，需要開發(fā)表征和重塑微生物群落三維結(jié)構(gòu)的方法。

③如何實(shí)現(xiàn)對(duì)微生物群落功能的精準(zhǔn)控制。許多疾病和共生微生物群落的失調(diào)相關(guān)，但是目前缺乏精準(zhǔn)調(diào)控微生物群落組成和功能的手段。

隨著微生物組學(xué)的發(fā)展，我們對(duì)微生物群落功能的分子機(jī)制和生態(tài)機(jī)制的理解不斷深入；同時(shí)，合成生物學(xué)、定量生物學(xué)的發(fā)展將為微生物群落的精準(zhǔn)調(diào)控和改造提供重要工具。合成微生物群落未來的研究，將堅(jiān)持建物致知、建物致用的理念，探索復(fù)雜微生物群落的基本科學(xué)規(guī)律，同時(shí)致力于解決人類健康、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域的重要問題。