综述：探索与利用土壤微生物组：从暗物质到光明未来

这篇综述系统梳理了土壤微生物"暗物质"（microbial dark matter）的研究历程，重点阐述了高通量测序（high-throughput sequencing）、宏基因组学（metagenomics）和人工智能（AI）技术如何推动对未培养微生物的认知，揭示了其在生物地球化学循环、抗生素发现（如链霉素streptomycin）和基因编辑工具（如CRISPR-Cas系统）开发中的关键作用，为应对全球粮食安全与气候变化挑战提供了新思路。

　　

土壤：被忽视的生命资源库

土壤是地球上最复杂的生态系统之一，蕴藏着惊人的微生物多样性。早在1674年，列文虎克首次通过显微镜观察到土壤微生物，但直到20世纪40-70年代"抗生素黄金时代"（如链霉素、四环素的发现），人们才意识到土壤微生物的应用价值。然而传统培养技术仅能研究约1%的微生物，剩余99%被称为"微生物暗物质"（microbial dark matter）。

技术革命照亮黑暗

从19世纪固体培养基的发明到21世纪的技术突破，研究手段经历了三次飞跃：

1. 分子生物学时代：PCR技术和桑格测序（Sanger sequencing）实现了基因水平研究；
2. 高通量测序时代：Illumina、PacBio和纳米孔测序（Nanopore）技术使土壤宏基因组测序成本降至100美元/样本，全球土壤MAGs（宏基因组组装基因组）目录已包含21,077个物种水平基因组箱（SGBs），其中16,530个为新发现物种；
3. 人工智能时代：深度学习模型如Evo能预测CRISPR-Cas系统功能，DeepBGC可挖掘生物合成基因簇（BGCs），而自然语言处理（NLP）技术已分析3.6亿个微生物基因的语义关联。

未培养微生物的宝藏

土壤"暗物质"蕴藏着四大类关键基因资源：

• 生物地球化学循环基因：如固氮基因（nifH）和甲烷氧化基因（pmoA），其中来自未培养古菌的MAGs参与全球碳循环；
• 药物开发资源：抗结核药物teixobactin和80%的临床抗生素源自土壤微生物BGCs；
• 基因编辑工具：从土壤中发现的Cas13j家族蛋白（如424aa的ChiCas13j）是目前最高效的RNA干扰工具；
• 环境适应基因：耐盐基因（ectABC操纵子）和重金属抗性基因（czcABC）可用于开发生物修复技术。

从认知到应用

合成生物学（synthetic biology）正将研究成果转化为解决方案：

• 合成微生物群落（SynComs）已成功用于PET塑料降解（效率提升300%）和作物增产（氮肥利用率提高40%）；
• 基因组尺度代谢模型（GEMs）可理性设计功能菌群，如通过flux balance analysis（FBA）优化碳固定途径；
• 培养组学（culturomics）结合微流控芯片iRhizo-Chip，首次观察到枯草芽孢杆菌（B. subtilis）在根际的昼夜生长波动。

未来之光

多组学整合（multi-omics）和AI驱动的研究将加速"暗物质"解密：

• 空间组学（spatial omics）可定位微生物在土壤团聚体中的三维分布；
• 量子计算有望将宏基因组分析速度提升1000倍；
• 全球土壤病毒组计划（GSV）已发现12万个新型土壤病毒，其中30%携带CRISPR系统。

正如诺贝尔奖得主Waksman在发现链霉素时预言："土壤微生物是解决人类危机的钥匙"。从暗物质到光明未来，这场微观世界的探索正在重塑我们对生命本质的认知。