自然界应该是微生物科学的典范

只有微生物才了解微生物的世界。因此，分子水平上认识古菌和细菌成为研究热点。研究发现，该类群以低丰度分布于自然环境中；与此形成鲜明对比的是，自然界中还存在着一种“两极”的微生物类群，因为它们在数量上的巨大优势和它们的栖息环境辽阔，形成了一个庞大的种群，全球10²⁸个细胞。

从历史上看，我们对微生物的认识一直建立在实验室培养的基础上。我们在机制层面上所知道的大部分是基于“模式生物”，即在实验室条件下容易生长的物种。模式生物被定义为作为研究对象的非人类物种，其目的是产生适用于其他物种的知识。过去20年，测序技术和计算方法的进步使微生物学家能够直接从自然界中获得基因组。这揭示了先前被忽视和未被培养的优势谱系的巨大多样性和群落结构。同时，表明了传统上使用的模式生物在自然生态系统中并不占据核心地位。在这里，关注地球上的优势微生物以及它们如何在其自然栖息地中持续存在是很重要的。传统研究中，模式生物的概念依赖于单个物种。微生物学中一个物种的概念是有争议的，并且在自然界中，物种的种群或广群具有很强的环境重要性。

地球生态系统中的关键微生物

尽管存在局部差异，但很明显，表层海洋以细菌为主，而古细菌在深海中占主导地位（图 1）。这些生物体具有流线型的细胞体积和基因组，适应在低营养的开阔海洋中生存。上层水域主要由一组称为“SAR11”，属于原绿球菌属 和聚球菌属的蓝藻组成（图 1）。考虑到海洋的体积，很容易看出这些谱系是地球上最主要的谱系之一。SAR11 的全球估计群体大小为 2.4×10²⁸个细胞，占海洋细胞的25%（表1存在所有这些细菌的培养代表）。名为 Pelagibacter spp. 的 SAR11 不容易培养，因为它们生长缓慢，还有其他因素，包括实验室培养常用的塑料对它们有毒。值得注意的是，古菌在深海(最高可达69 %)细胞中占绝对优势，其中奇古菌(现命名为Nitrosophaerota门)成员占绝对优势，占深海细胞的39 %。培养的奇古菌的第一个成员，N. maritimus，证实它们具有氨氧化能力。氨氧化与亚硝酸盐氧化耦合产生硝酸盐，硝酸盐是初级生产力的关键营养物质。同位素分析表明，这些古菌可能贡献了世界大气中30 %的氧化亚氮。

图1 地球生态系统中微生物群落的主要成员

表1 鉴于它们在给定生态系统中的重要作用，关键生态系统中的优势微生物和培养代表在这里被提议作为未来潜在的模式生物。

在宿主-关联相互作用中对微生物进行建模

微生物与真核生物以及其他原核生物之间的相互作用塑造了地球的生态和进化。自然界中宿主群落的多样性使得定义良好的模型系统以促进我们对共生过程的理解变得具有挑战性。此外，使这种多种微生物物种复杂化可以栖息在宿主中，如 Wolbachia和昆虫。我们现在知道，大片的微生物多样性（CPR [候选门辐射] 和 DPANN 古细菌）由可能需要另一个物种才能生存的小细胞组成。然而，这些谱系中的大多数的宿主范围尚未确定。糖杆菌（以前称为 TM7）的一个成员已被证明是一种无处不在的人类口腔表生共生体。属于该组的菌株已被培养成 Nanosynbacter lyticus，使相互作用实验更加可行。随着对这些神秘小生物的更多研究，我们对这种巨大多样性的理解将揭示共生相互作用的新机制。

了解复杂生命起源中的关键转变

在自然界中的突出性不仅应该成为模式生物的指标，还应该成为地球上生命进化的意义。例如，细胞器的起源，如线粒体来自 Alpha 变形菌门和叶绿体来自蓝细菌，通过内共生。当然，生命的主要转变之一是真核生物复杂细胞组织的起源。这些古细菌不仅与生命之树上的真核生物有关，而且还具有以前被认为是真核生物独有的多种蛋白质。

理解模型环境生物体的独立于培养的技术

传统上，模式生物易于在培养物中保存，易于操作（通过遗传学），冷冻保存，并且广泛提供给所有人。对于上面讨论的许多生物体和其他主要谱系来说，情况并非如此。虽然我们现在有它们的培养代表，但它们很难在实验室中生长，而且它们都缺乏成熟的遗传系统。无论如何，拥有这些全球重要生物体的培养物非常有价值。

文章总结

现在，技术的进步使我们能够研究纯培养物以外的微生物。独立于区域性的技术在实现此目标方面起着至关重要的作用。当这些技术结合起来时，这些技术提供了有关未培养生物生存所必需的新陈代谢和物理化学条件的宝贵信息。因此，我们希望可以从研究培养中的经典生物转变为更多研究自然栖息地中生态占主导地位的微生物，以便在分子水平上了解它们及其对生态系统的影响。

参考文献：Baker BJ, Hyde E, Leão P.0.Nature should be the model for microbial sciences. J Bacteriol0:e00228-24.https://doi.org/10.1128/jb.00228-24