Cell | 绘制地球微生物组图谱，揭秘泛化菌的“基因搬运工”本色

撰文|617

微生物是地球生态系统的核心组成部分，广泛分布于人体、动物、海洋、陆地、人为环境等各类生境中，参与物质循环、宿主健康调控等关键过程。然而，长期以来，全球微生物组的研究多局限于单一生境或局部区域，缺乏对行星尺度上微生物组整体结构、分布规律及跨生境交流机制的系统性解析。

2026年 2 月 4 日，欧洲分子生物学实验室（EMBL）Michael Kuhn团队在Cell杂志上发表了题为Planetary microbiome structure and generalist-driven gene flow across disparate habitats的文章。该研究通过整合全球范围内的微生物组数据，构建了首个行星尺度的微生物组聚类框架，揭示了不同生境微生物组的分布规律、泛化菌（generalists）的核心特征，以及其在跨生境水平基因转移（HGT）中的关键作用，为理解全球微生物组的演化、生态功能及与人类健康的关联提供了全新视角。

但是令人痛心且遗憾的是该论文的通讯作者、国际著名生物学家Peer Bork（1963-2026）教授不幸于近期逝世，享年62岁。他是生物信息领域的推动者，也是微生物组的先驱科学家之一， 发表论文超过700篇，H指数高达257。他的代表性工作 成果 涉及蛋白质序列分析、相互作用网络以及微生物组学分析等 方向 ，包括我们耳熟能详的STRING、iTOL、eggNOG等数据库与 研究 工具 。

图片来自： https://www.embl.org/news/people-perspectives/remembering-peer-bork-obituary/

Peer Bork 教授的离去是科学界的巨大损失，但其留下的 研究成果 与 科学理论 将继续为研究者们提供指引，相信这篇

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为了在行星尺度上研究微生物组，作者收集并分析了不同生境的85,604个公开宏基因组样本。为了 获得最佳 的聚类 结果 ，作者测试了不同的输入谱特征（分类学特征、功能特征、序列特征k-mer）、 多种 降维方法以及无监督聚类方法，产生了超过206万个模型参数组合。经过综合评估后，作者最终将全球微生物组划分成40个核心生境类群（habitat cluster）。

这40个生境类群可以分为两大类——宿主相关和环境相关，且不同类群受到特定因素驱动：

（1）人体肠道微生物组： 主要受到年龄和生活方式的影响，比如成人和新生儿/婴儿的肠道微生物组存在明显差异，传统生活方式（如狩猎采集）和现代工业化生活方式的人存在显著差异。

（2）动物肠道微生物组： 呈现高度的宿主特异性，灵长类、猪的肠道菌群与人类肠道菌群更相似，而草食动物（牛、马）和啮齿类的肠道菌群则与人类肠道菌群差异显著，表明宿主的系统发育和饮食习性是驱动动物肠道微生物组组成的关键因素。

（3）海洋微生物组： 被 划分为三个聚类，分别对应高纬度、中纬度和低纬度 ， 主要受到温度驱动，其次是磷酸盐和溶解氧。

该聚类框架还能有效识别样本污染和未标注生境 。 例如， 作者通过该方法发现了一个 被 错误 标记为海洋/淡水生境的样本 ， 其人类DNA含量显著高于其他水体样本， 被该方法识别为 人体皮肤微生物组样本 。

进一步的分析发现， 不同生境的选择压力导致微生物在分类组成、功能特征和基因组特征上呈现差异，且功能组成比分类组成更具保守性。

在分类组成上，作者发现厚壁菌门（Firmicutes_A）和拟杆菌门（Bacteroidota）与宿主更为相关，而变形菌门（Proteobacteria）和放线菌门（Actinobacteriota）则更多存在于环境中。

在功能上，环境微生物在细胞过程和代谢功能上更丰富，体现出更高的代谢多样性，而人体和动物的肠道微生物则以厌氧菌为主，更擅长利用蔗糖、乳糖等糖类物质。

在基因组特征上，环境微生物呈现种内高核苷酸多样性，但泛基因组 相对 封闭，表明其更多通过点突变而非HGT适应环境。相反，宿主相关微生物呈现种内低核苷酸多样性，并具有开放的泛基因组，表明其更依赖HGT获得新功能。

在基因组大小上 ，宿主相关微生物的基因组大小上限约为3.5 Mbp，海洋微生物基因组更紧凑（<2.86 Mbp），而陆地微生物基因组更大（>3.84 Mbp），反映了不同生境下微生物的基因组优化策略。

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

为了量化微生物的泛化能力（即适应多种生境的能力），作者开发了一种泛化菌评分方法——该方法整合了类群的相对丰度，以及这些类群所出现的生境 类群 之间的生态距离。

作者 通过泛化菌评分发现， 仅4.6%的微生物为泛化菌（评分≥0.1），其余95.4%为特化菌（评分<0.1）。

与特化菌相比， 泛化菌具有更广泛的温度和pH耐受范围，GC含量显著更高，且物种形成速率更快 。 功能上，泛化菌 富集与有氧代谢相关的特征 （如有氧化学异养、葡萄糖氧化）， 擅长降解塑料和芳香族化合物等低生物利用度物质 ，而特化菌则富集抗生素和聚酮化合物生物合成途径，依赖次级代谢产物与同域物种竞争。

接着，作者检测了约200万个微生物基因组（分离株和宏基因组组装基因组MAGs）中的高置信度HGT事件，并结合生境聚类和泛化菌评分，分析HGT的跨生境规律 。

全球共检测到84,049个高置信度HGT事件，其中97.62%发生在生态相似的生境间，主要发生在特化菌之间（64.4%），其次为泛化菌和特化菌（35.5%）；而2.38%的跨差异生境HGT事件，74.8%发生在泛化菌与特化菌之间，且泛化菌的参与比例随生境间生态距离增加而显著升高（Pearson相关系数r=0.589）。

其中， Pseudomonadaceae 、 Burkholderiaceae 和 Alteromonadaceae 贡献了63%的跨差异生境HGT，是关键的“基因流动载体”。

上述结果表明 ， 泛化菌作为能够跨越生态和地理边界的关键载体，可以促进生态上不同的微生物生境间的HGT。

在确定泛化菌是生态上差异显著的生境间HGT的主要载体后，接下来作者探究了人为生境微生物组在行星尺度微生物组图景中的作用 ，因为作者发现 污水处理厂、建筑表面等人为生境，其微生物组在分类上接近宿主相关微生物组，在功能上接近环境微生物组，且泛化菌丰度极高。

结果显示， 人为环境 显著促进了宿主相关与环境微生物组之间的基因交流 ：宿主与环境生境间的HGT极其罕见，而宿主与人为生境、人为环境与自然环境间的HGT中，分别有58.2%和81.5%涉及泛化菌 ，也再次证明泛化菌在跨生境HGT事件中的重要性。

最后 ， 作者深入研究了与人类健康密切相关的耐药基因，通过HGT检测发现，耐药基因的跨生境传播并非随机，而是主要依赖泛化菌介导的HGT。

作者 还 重点识别出一个“推定的多药耐药岛（Putative multidrug resistance island）”，该耐药岛可通过泛化菌，在宿主肠道微生物与环境微生物之间实现跨生境传播。更重要的是，该耐药岛携带对WHO定义的“Watch类”（需重点监测的抗生素，如头孢类）和“Reserve类”（备用抗生素，用于多重耐药感染）抗生素耐药 的 基因，其跨生境传播可能导致临床耐药菌的产生和扩张 。

综上，该研究通过海量数据整合和创新方法构建，首次绘制了行星尺度微生物组的聚类图谱，解码了不同生境微生物组的分布规律和特征，明确了泛化菌作为跨生境基因流动核心载体的关键作用，以及人为生境在其中的“桥梁”功能。该研究不仅完善了微生物生态与演化理论，还为抗生素耐药性防控、环境治理和微生物资源挖掘提供了重要的理论支撑和实践线索，开启了行星尺度微生物组研究的新范式。

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

制版人： 十一

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