微生物是地球上最豐富多樣的細胞生命形式，存在于各種各樣的環(huán)境生態(tài)環(huán)境中。但是，超過99％的細菌和古細菌都不能由純培養(yǎng)獲得，所以現(xiàn)在的我們只是瞥見了這個神秘的微生物世界的表面。我們尚未了解的這些微生物就是所謂的微生物暗物質(zhì)Microbial Dark Matter （MDM），微生物學(xué)家只能通過使用培養(yǎng)以外的技術(shù)來研究尚未被培養(yǎng)的微生物的巨大多樣性。近年來，雖然許多研究成果在很大程度上增進了我們對微生物多樣性的了解，但是，MDM的物種和功能多樣性仍然很神秘。
近日，中山大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院李文均教授課題組在National Science Review上發(fā)表題為“Microbial dark matter coming to light: challenges and opportunities”的文章。這篇文章介紹了目前MDM的研究現(xiàn)狀，并提出了研究MDM未來會面臨的挑戰(zhàn)和機遇。
文章總共分為4個部分，我們依次來看一下：
1、微生物暗物質(zhì)（MCM）的研究技術(shù)
幾十年年前，微生物學(xué)研究主要集中在純培養(yǎng)技術(shù)上。隨著DNA測序和生信分析技術(shù)的發(fā)展，使得我們可以直接從復(fù)雜的環(huán)境樣品中進行MDM基因組的探索。作者指出，現(xiàn)今，分別從單細胞基因組和宏基因組學(xué)方法獲得的單擴增基因組（SAG）和宏基因組組裝基因組（MAG）已成為最有效的方法，為研究MDM帶來了曙光（圖1）。與基于marker gene（例如，通過16S rRNA基因進行系統(tǒng)發(fā)育研究）通過系統(tǒng)發(fā)育從屬關(guān)系推測功能，或從中，低質(zhì)量草圖基因組推斷功能相比，使用高質(zhì)量的SAG或MAG，可以更可靠地預(yù)測MDM的代謝潛力。即使是低質(zhì)量的MAG和SAG也可以使研究人員深入了解三個基本科學(xué)問題：它們是誰？他們在哪？他們能做什么？有了這些信息，微生物學(xué)家可以輕松地設(shè)計實驗和針對性的培養(yǎng)方法來進行研究了。
圖一：MAG和SAG使研究人員深入了解三個基本科學(xué)問題：它們是誰？他們在哪？他們能做什么？
2、MDM的近期研究成果
SAG和MAG的研究揭示了自然界中微生物多樣性的一些重大發(fā)現(xiàn)。在過去十年中，學(xué)者們已經(jīng)從環(huán)境樣本中檢索出了代表主要譜系的許多MAG或SAG（表1）。
（*中國人參與出版 a古細菌候選門）
對MDM的這些研究正在改變我們對生命起源和進化的思考方式。MDM的代謝用途廣泛，是另一個值得研究的值得研究的領(lǐng)域，例如，編碼厭氧甲烷氧化酶和異化硫酸鹽還原酶的基因在Korracheota MAGs中被檢測到，這表明這兩種功能通常由同營養(yǎng)體的不同配體編碼，在單個生物體內(nèi)耦合[1]。
此外，MDM的基因組分析使我們看到了新的微生物功能，這些功能可用于生物醫(yī)學(xué)，生物能源和生物技術(shù)以及生物修復(fù)方面的進步。MDM的多功能性向我們展示了它們“多彩”的一面，使我們對所生活的世界有了更好的了解。
3、研究MDM的挑戰(zhàn)與機遇
第一個挑戰(zhàn)，如何是如何更好地進行MCM的溝通。由于分類和術(shù)語不穩(wěn)定，因此目前有關(guān)MDM的交流非常困難。管理細菌和古細菌命名法的國際原核生物命名法典（ICNP）的當(dāng)前版本未涵蓋未培養(yǎng)的微生物，這使得科學(xué)交流具有挑戰(zhàn)性。
第二個挑戰(zhàn)是從基因組信息推斷功能仍然非常困難。基于來自MDM的MAG和SAG的基因組信息的代謝預(yù)測只是潛在的，并不是有力的證據(jù)，并且MDM基因組中超過一半的基因沒有注釋的功能，嚴重限制了我們對MDM功能的探索。
第三個挑戰(zhàn)是培養(yǎng)MDM仍然很困難。
4、MDM研究的未來展望
基于與MDM有關(guān)的三個主要挑戰(zhàn)，作者提倡三種方法來促進未來的MDM研究。
首先，仍需要對MDM進行多種組學(xué)（例如宏基因組學(xué)，宏轉(zhuǎn)錄組學(xué)，宏蛋白質(zhì)組學(xué)，代謝組學(xué)等）聯(lián)合的方法進行研究，以探索各類自然環(huán)境，尤其是極端環(huán)境下，微生物物種和功能的多樣性。
需要加強物種與其原位功能之間的聯(lián)系?，F(xiàn)在，可以通過整合組學(xué)，F(xiàn)ISH，MAR，NanoSIMS，Raman和異源表達等技術(shù)對MDM功能進行探索。
需要建立和探索以多組學(xué)信息和功能網(wǎng)絡(luò)信息為指導(dǎo)的新的培養(yǎng)方法。對MDM的進一步了解需要許多學(xué)科和多維知識的結(jié)合；
作者還強調(diào)需要建立MDM研究中心，以不同的方式應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，從開發(fā)研究設(shè)施和提供技術(shù)援助到培訓(xùn)下一代科學(xué)家，以及提供學(xué)術(shù)交流平臺。
對MDM的探索就像打開一個魔盒，其中可以裝滿充滿驚喜的糖果。 MDM的研究仍處于起步階段，對MDM的進一步探索將繼續(xù)為MDM在自然界中的進化和作用提供意想不到的答案。但是，作為科學(xué)家，“盒子”所展示的奇妙事物并不是MDM研究的最終答案，而是進一步探索生態(tài)和進化機制的起點。
原文鏈接：Microbial dark matter coming to light: challenges and opportunitiesacademic.oup.com
參考資料：
擴增子測序與菌種鑒定知識與錦集：
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