微生物分子生态学与生态基因组学；人体系统生物学

　　在国内最早系统开展微生物分子生态学研究，在复杂微生物群落结构分析技术和统计计算方法等方面做了很多创新。对广泛使用的PCR-DGGE技术做了重要改进，成为国际上使用该技术研究微生物生态学的先进实验室之一；创新建立了基于随机扩增指纹图技术和分子杂交技术，分析对比群落结构，发现重要功能细菌基因组片段作为分子标记的技术方法。对人和动物的肠道、处理工业废水的生化池、土壤、油藏等环境中的微生物群落结构与功能的关系做了大 量的研究工作，取得了有意义的结果。在PNAS (Proceedings of National Academy of Sciences), NRDD(Nature Review Drug Discovery), AEM (Applied and Environmental Microbiology)、ISME Journal, BMC Bioinformatics, Journal of Proteome Research, Journal of Clinical Microbiology, Microbial Ecology、FEMS Microbiology Ecology、Journal of Microbiological Methods、FEMS Microbiology Letters、《微生物学报》、《生态学报》等刊物发表相关论文二十余篇，研究工作得到国际同行的关注。应邀在第八届细菌遗传学与生态学国际研讨会（法国里昂）上做keynote报告，在第十届国际微生物生态大会环境生物技术分会（墨西哥坎昆）做报告。在第十一届国际微生物生态大会人体微生态分会（奥地利维也纳）做报告，并联合主持“污泥元基因组学”圆桌讨论会。在2006年8月被选为国际微生物生态学会12名常务理事之一。近年来，积极推动系统生物学理念在微生物生态学领域特别是人体肠道菌群研究中的应用，注重发展用代谢组学和元基因组学相结合的方法研究肠道菌群在肥胖、糖尿病等复杂疾病中的作用，并积极探讨用肠道菌群的整体结构变化来监测人体健康变化、评价中医药疗效的问题，开始形成一个新的以元基因组学研究为核心的人体系统生物学新方向。

　　Li M, Wang B, Zhang M, Rantalainen M, Wang S, Zhou H, Zhang Y, Shen J, Pang X, Zhang M, Wei H, Chen Y, Lu H, Zuo J, Su M, Qiu Y, Jia W, Xiao C, Smith LM, Yang S, Holmes E, Tang H, Zhao G, Nicholson JK, Li L, Zhao L.Symbiotic gut microbes modulate human metabolic phenotypes. Proc Natl Acad Sci U S A., 105(6):2117-22., 2008

　　Jia W，Li H, Zhao L & J. K. Nicholson. Gut microbiota: a potential new territory for drug targeting. Nature Reviews Drug Discovery，7:123-129, 2008. (IF:20.97)

　　Piao Z, Yang L, Zhao L, Yin S. Actinobacterial community structure in soils receiving long-term organic and inorganic amendments. Appl Environ Microbiol., 74(2):526-30, 2008

　　Wei G, Lu H, Zhou Z, Xie H, Wang A, Nelson K, Zhao L. The microbial community in the feces of the giant panda (Ailuropoda melanoleuca) as determined by PCR-TGGE profiling and clone library analysis. Microb Ecol. 54(1):194-202, 2007

　　Pang X, X Hua, Q Yang,D Ding, C Che, L Cui, W jia, P Bucheli and L Zhao. Inter-species transplantation of gut microbiota from human to pigs. The ISME Journal, 1(2):156-162, 2007

　　Zhang M, B Liu, Y Zhang, H Wei, Y Lei, and L Zhao, Structural shifts of mucosa-associated Lactobacilli and Clostridium leptum subgroup in patients with ulcerative colitis, Journal of Clinical Microbiology. 45(2):496-500, 2007

　　Yan X, Z Xu, X Feng, Y Liu, B Liu, X Zhang, C Zhu, L Zhao. Cloning of Environmental Genomic Fragments as Physical Markers for monitoring Microbial populations in Coking Wsatewater Treatment System. Microbial Ecology. 53:163-172, 2007

　　Chen M, M Su, L Zhao, J Jiang, P Liu, J Cheng, Y Lai, Y Liu, W Jia*, Metabonomic Study of Aristolochic Acid-Induced Nephrotoxicity in Rats, Journal of proteom research. 5:995-1002, 2006

　　Shen J, B Zhang, G Wei, X Pang, H Wei, M Li, Y Zhang, W Jia, and L Zhao. Molecular Profiling of the Clostridium leptum Subgroup in Human Fecal Microflora by PCR-Denaturing Gradient Gel Electrophoresis and Clone Library Analysis. Applied and environmental microbiology, 72(8):5232-5238, 2006.

　　Liu B, F Zhang, X Feng, Y Liu, X Yan, X Zhang, L Wang, L Zhao.Thauera and Azoarcus as Functionally Important Structure Comparison. FEMS Microbiology Ecology. 55(2):274-86，2006.

　　Pang, X., D. Ding, G. Wei, M. Zhang, L. Wang, and L. Zhao. Molecular profiling of Bacteroides spp. in human feces by PCR-temperature gradient gel electrophoresis. J Microbiol Methods. 61:413-417,2005.

　　Chen M, L Zhao, and W Jia*, Metabonomic Study on the Biochemical Profiles of A Hydrocortisone-Induced Animal Model, Journal of proteome research, 4:2391- 2396, 2005,

　　Zhang, X., X. Yan, P. Gao, L. Wang, Z. Zhou, and L. Zhao. Optimized sequence retrieval from single bands of temperature gradient gel electrophoresis profiles of the amplified 16S rDNA fragments from an activated sludge system. J Microbiol Methods, 60:1-11, 2005.

　　Zhao Y., W. Li, Z. Zhou, L. Wang, Y. Pan, L. Zhao. Dynamics of Microbial Community Structure and Cellulolytic Activity in Agricultural Soil Amended with two Biofertilizers. European Journal of Soil Biology. 41:21-29, 2005.

　　Cao, Y, L. Wang, K. Xu, C. Kou,Y. Zhang, G. Wei, J. He, Y. Wang, L. Zhao. Information theory-based algorithm for in silico prediction of PCR products with whole genomic sequences as templates. BMC Bioinformatics, 6(1):190-, 2005.

　　Wei, G., L. Pan, H. Du, J. Chen, and L. Zhao. ERIC-PCR fingerprinting-based community DNA hybridization to pinpoint genome-specific fragments as molecular markers to identify and track populations common to healthy human guts. J Microbiol Methods, 59:91-108, 2004.

　　Zhang, X., P. Gao, Q. Chao, L. Wang, E. Senior, and L. Zhao. Microdiversity of phenol- hydroxylase genes among phenol-degrading isolates of Alcaligenes sp. from an activated sludge system. FEMS Microbiol Lett, 237:369-75, 2004.

　　上海系统生物医学研究中心副主任

　　上海交通大学生命科学技术学院副院长

　　国际微生物生态学会（ISME）常务理事

　　Systematic and Applied Microbiology 编委

　　上世纪90年代微生物分子生态学逐渐确立了它作为微生物学一个分支的地位。它是从基因组的水平上来解析微生物群落结构与功能的学科。因为它突破了很多微生物尚不能被分离培养的技术限制，使我们能够对环境微生物群落中微生物的种类、丰度和分布以及功能进行分析，所以显著加深了我们对于各种不同环境中微生态学规律的研究和了解。

　　1997年以来，赵立平教授课题组率先在国内将分子生态学理念和方法系统地引入到环境微生物的研究中，并逐步开拓到人体健康等领域，开创了新的研究方向，带动了微生物分子生态学的发展，研究论文渐次发表在国际主流刊物上，得到国际学术界的关注和认同，赵立平教授于2006年被选举为国际微生物生态学学会（ISME）12名常务理事之一。

　　不仅建立了DNA指纹图、克隆文库组成分析、FISH、实时定量PCR和生物信息学等国际上常用的微生物分子生态学技术体系，而且还进行了多项创新。最先将ERIC－PCR技术引入环境微生物群落结构的分析，创建了通过ERIC-PCR与DNA杂交相结合来比较群落结构相似性，并分离克隆某类群落特有的微生物的基因组片段的方法；创立了一套有效的去除单链DNA污染的方法，使PCR－DGGE条带序列测定的可靠性大大提高；2004年与华东师范大学合作共同举办了首届微生物分子生态学学习班，在上海交通大学进行了分子生态学实验技术的培训，来自全国各地的约30位学员参加了培训，对推动分子生态学技术的应用产生了积极的作用。

　　基于代谢物和肠道菌全谱分子分析的人体系统生物学研究：

　　对一个四世同堂的中国家庭7位成员的肠道微生物组成和人体代谢特征进行了详细分析，鉴定出肠道内参与了人体代谢过程的一些重要的细菌。利用基于核磁共振的代谢组技术分析志愿者尿液中代谢物的组成，用以反映人体的整体代谢状况。通过比 较志愿者肠道菌群组成变化与他们的代谢特性变化的关系，初步发现了肠道内某些特定细菌与人体尿液中的某些代谢物呈显著的相关关系，提示这些肠道细菌对人体 健康特别重要。例如，我们发现人体肠道内共有的一种“友好”细菌——属于厚壁菌门（Firmicutes）梭菌科（Clostridiaceae）的 Faecalibacterium prausnitzii与8种人体的代谢物质有统计相关性；提示这种细菌在参与宿主多种代谢过程中有着很重要的作用。这种将微生物基因组技术与代谢组技术相结合，通过分析人体的代谢谱来解析肠道菌群组成和功能的新的研究体系，能够更准确地刻画出细菌与宿主代谢之间互作关系的蓝图，使人们有可能利用这些代谢信息确定一个人肠道微生物的组成和功能；这项新的研究成果，为将来充分认识不同的肠道细菌如何影响机体代谢过程，譬如如何将食物转化成能量、如何维持细胞存活等等问题迈进了一大步。反之，也可以利用肠道菌群结构的分子标记，诊断人类代谢是否正常或偏差的程度，进而以这些特定的肠道细菌为靶点，通过改变它们与宿主之间的相互作用来开发治疗疾病的新方法。该研究成果发表在国际权威学术杂志《美国国家科学院院刊》（PNAS）上。 2008年3月5日《Nature CHINA》在研究亮点中对该文给予了报道。

　　轮状病毒感染是婴幼儿秋冬季腹泻的主要原因。我们比较了轮状病毒感染儿童与健康儿童两组个体肠道菌群组成，发现患病组和健康组儿童肠道菌群在多样性和菌种组成上有显著差异。轮状病毒感染个体肠道内拟杆菌与健康个体相比平均下降了2个数量级。在轮状病毒感染个体肠道内，Bacteroides vulgatus 、Bacteroides stercoris两类菌的数量有减少的趋势，而Bacteroides fragilis则有上升的趋势，这3种OTU代表的序列有望发展成为一种区分个体肠道菌群健康状态的分子标记物。

　　溃疡性结肠炎 (Ulcerative Colitis,UC)是一种病因未知的急性或者慢性的炎症性大肠炎，近年来该病的发病率在我国呈现上升趋势。肠道微生物被认为与该病的发生和恶化有密切的关系，我们分析了溃疡性结肠炎患者肠道内粘膜黏附菌的结构组成。结果表明溃疡部位和健康部位的优势菌虽然总体组成差别不大，但柔嫩梭菌和乳酸菌的组成存在着很大的差异，显示柔嫩梭菌和乳酸菌的组成变化情况与溃疡性结肠炎有很密切的关系。不同的患病部位肠道菌的分析结果显示，无论是结肠型溃疡还是直肠型溃疡，乳酸菌在溃疡部位和健康部位的组成都有很大差异，而柔嫩梭菌仅在直肠型溃疡中有差异。

　　我们对大熊猫的肠道菌群分析显示3例大熊猫个体肠道微生物共有一种优势菌，即大肠杆菌（E.coli）。在1例大熊猫的肠道菌群16S rDNA文库中有一类占有绝对优势的细菌（76%）为梭状芽孢杆菌（Clostridium）。与其它动物的肠道结构相比较，大熊猫肠道菌群既不同于食肉动物也不同于食草动物的菌群结构，这一点可能解释了大熊猫对高纤维含量的竹子利用率低的原因。

　　以人为对象直接研究肠道菌群与宿主的相互作用存在很多不便，如难以标准化待测试人群的遗传和环境背景、采样困难以及若进行毒性及致癌性等方面的研究，还存在潜在的伦理问题等。目前常用人源菌群（Human Flora-associated，HFA）小鼠/大鼠模型来研究人的肠道生态、营养和代谢。但由于啮齿类动物与人在肠道生理方面的显著差异，由HFA小鼠/大鼠模型得到的研究结果与人的相关性越来越多地受到置疑。我们建立了构建HFA仔猪的方法，并对其肠道菌群的组成进行了分子分析。对HFA仔猪肠道菌群的分析，我们采用了ERIC-PCR指纹图谱结合群落DNA杂交技术以及对肠道中最重要的两大类细菌-双岐杆菌和拟杆菌进行TGGE组成分析等一套分子微生物生态学方法，证实该仔猪胃肠道中成功定植了供体人的双岐杆菌和拟杆菌，DNA指纹图谱的比较也显示HFA仔猪肠道菌群的指纹图谱与供体人同源性高，而与普通仔猪差异显著。可以预见，该模型在研究人的肠道生态、营养以及代谢等方面有显著意义，在功能性食品和新药的评价以及肠道微生态相关机理的研究方面也是一个合理而有效的模型体系。

　　以焦化工业废水的微生物处理系统为对象，研究了不同工艺条件下，微生物的群落结构与污染物降解、COD去除等处理功能的关系。通过微生物元基因组学技术分析解析微生物的群落结构，可以使我们了解不同的操作条件下，微生物的群落结构的变化与群落功能的变化及其关系，为我们认识废水处理系统功能的机制奠定了基础。如Thauera属细菌是一种重要的反硝化降解菌，但属内各种群的降解能力的差异使我们很难在属水平上分析降解功能的变化，我们首次建立了Thauera属专一性的PCR-DGGE方法，可将Thauera属内大多数种进行区分，可用于快速分析复杂群落内Thauera属的种群组成与数量变化。通过对比种子污泥和厌氧、反硝化两个反应器中的微生物区系的组成变化与功能状态的变化，找出群落中与降解喹啉等特定的功能密切相关的种群。还研究了从处理焦化工业废水的活性污泥分离的苯酚降解细菌的苯酚羟化酶大亚基基因（LmPH），首先发现并报道了苯酚降解基因高度的微多样性。与系统功能相关的微生物种群可以作为“指示微生物”用于系统的功能和状态的监控。通过在一套实验模拟废水处理装置的回流和不回流两种操作条件下，对指纹图谱与废水处理功能的变化进行分析，发现一些与群落功能相关的基因组片段，这些基因组片段可作为功能相关种群的物理标记具有对系统运行状态进行监测的潜力。

　　我们将群落空间演替的系统轨迹分析应用于一个故障工业废水处理系统的分子诊断与修复之中，建立了对系统群落空间演替进行轨迹分析的分子方法。通过把回流条件下的实验室装置以及该工业装置分别作为参比系统和未知故障系统，对它们群落空间演替系统轨迹的分析比较，发现工业装置的故障原因在于生物膜没有得到充分的供氧。这一推断为后来的其它分析和随后的装置的成功改造所证实。表明群落时空演替的系统轨迹分析是研究操作条件对系统群落结构影响的良好工具，对群落结构的优化有着重要的指导意义，为今后进一步的监控废水处理的过程提出了理论指导。该研究及其方法在工业领域的成功应用为分子生态学与环境技术的衔接提供了一个成功的实例，受到国际同行的高度评价。 2004年以来，还积极将分子微生物生态学方法推广到油藏环境中微生物群落组成、驱油过程中微生物群落结构的变化的研究中。分别对大港油田、胜利油田和新疆克拉玛依油田的微生物增油作业的油井的微生物群落进行了分析研究。

　　赵立平教授课题组建立了广泛的国际合作，与美国、新加坡、德国、法国、挪威等国的知名学者建立了稳定的合作关系和经常的互访和交流，联合培养多名博士生。先后派出优秀博士生前往瑞士、挪威、加拿大等国进行为期约1年的合作科研。还和德国实验室开展"Systems biology and biosystems engineering"研究网络的研究生交流，派遣博士生前往德国进行为期3个月的短期交流。2006和2007年我们也先后接收来自德国斯图加特大学和荷兰Groningen大学的研究生来实验室进行6～8个月的合作科研。

　　2005年实验室还成功地承办了“第二届国际环境微生物基因组学会议SCOPE MicroEnGen II”, 共有30多位来自欧美等国的环境微生物基因组学领域的专家参加会议，会议促进了环境微生物基因组和分子生态学领域的中外交流，产生了良好的反响。

　　2005年还承办了“首届国际生物经济高层论坛－环境生物技术分会”，该会议也是环境微生物领域的一次盛会，来自国内外的共约60名专家参加了大会。

　　2007年12月举办了国际微生物生态学会(ISME)与中国微生物学会（CSM）微生物分子生态学技术亚洲地区讲习班。参加此次讲习班的学员共41人，他们分别来自北京、上海、南京、天津、新疆、海南、湖北、浙江、山西、河北、江苏、四川、山东、福建、广西等省市自治区，包括南开大学、四川大学、山东大学等14个高等学校与中科院湖泊所、中科院海洋所等10个科研院所的单位。

　　本团队还承担着多门课程教学任务，如本科生课程《微生物学》、《分子生物学》、《基因工程进展》；研究生课程：《微生物分子生态学》、《生态基因组学》、《应用微生物学进展》。我们每年还接收一批本科生完成毕业论文工作和大学生科学实践PRP项目。

　　由赵立平教授主讲的《微生物学（C类）》双语教学课程面向生物学相关专业学生传授微生物学的基本概念、知识及有关实验技能，该课程采用国际最新教材，英文授课，积极研究教学规律，课堂教学效果显著，2008年被评为上海交通大学精品课程。 赵立平教授曾参加在美国盐湖城召开的"第九届本科微生物学教学国际研讨会"，并在会上交流论文。他在国内首家为研究生开设"微生物分子生态学"，"微生物生态基因组学"等课程。

　　慢性病的肠源性学说

　　诺贝尔奖得主里德伯格（Lederberg）提出“人是与共生微生物构成的超级生物(superorganism)”，人基因组和微生物组共同作用影响人体的免疫、营养和代谢过程。

　　从细胞的角度看，人体不仅仅是一个人的细胞构成的躯体，它是一个由人的细胞和共生微生物细胞共同构成的复杂系统。从基因的角度看，人体内有两个“基因组”：一个是从父母那里遗传来的人基因组，编码大约25,000个基因，叫做“第一基因组”；另一个则是人体内多达1000多种共生微生物的遗传信息的总和，叫“微生物组”，也可称为“元基因组”，它们所编码的基因有100万以上。第二基因组的基因容量是第一基因组的至少100倍，可见其对人体健康的作用和影响是不可忽视的。

　　在人体中，人的细胞数量仅占细胞总量的10%，而共生微生物的细胞所占比例高达90%。共生细菌大部分生活在肠道里，有大约1.5千克。这些细菌在生长活动中产生的代谢物可以进入人的血液，影响人的健康。有益菌可以产生消炎、镇痛、抗氧化的物质，还可以合成维生素、氨基酸、丁酸盐等营养成份，对人体有滋养和保护作用。有害菌则可以产生神经毒素、致癌物质和游离抗原，进入血液后能够引起儿童自闭症、老年痴呆、肥胖症、糖尿病、冠心病、甚至癌症等各种慢性病。肠道菌群具有至少1000多种细菌，携带着大量的基因。这就意味着，人体内其实有两个基因组在影响人的健康，一个是先天遗传来的人的基因组，带有约2万多个基因，另一个是后天进入人体但终身与人相伴的所有共生微生物构成的“微生物组”，带有至少上百万个基因，相当于人的第二个基因组。引

　　结构失调的肠道菌群可能是诱发慢性病的重要因素，这个观点叫“慢性病的肠源性学说”，该学说由赵立平教授在2010年正式提出。赵教授研究组的工作表明，饮食是影响肠道菌群组成的最重要因素，不同的饮食结构，可以形成不同的菌群结构。长期食用高脂肪、低纤维的食物，可以造成肠道菌群结构失调，增加进入血液的毒素的量，诱发慢性炎症，从而导致肥胖、糖尿病、冠心病等慢性病的发生。慢性病的肠源性学说以《Whole-body systems approaches for gut microbiota-targeted,preventive healthcare》为名发表在Journal of Biotechnology和《国际微生物生态学会会刊》(The ISME Journal)上。