人体是一个由人体细胞和所有共生微生物细胞构成的“超级生物体”，人体肠道定殖着复杂多样的共生微生物，包括细菌、古细菌、真菌和病毒。肠道内的细菌细胞数量可达1013个，与人体细胞总数相当[1]。如此庞大复杂的微生态系统，对维持人体健康有着重要作用。

近日，深圳华大生命科学研究院在国际学术期刊《自然·通讯》（Nature Communications）在线发表肠道菌株库和基因组最新研究成果，构建了包括3324株人体肠道培养菌株的高质量基因组集合。该研究是继2019年人体肠道细菌基因组集[2]发表后的又一代表性成果。

《自然·通讯》官网截图

本次研究构建了3324个培养菌株的高质量基因组图谱，有助于全面认识人肠道细菌参与膳食纤维代谢的过程、构建肠道噬菌体-细菌相互作用网络等。这些细菌基因组集合和分离菌株可为后续人体微生物的体外功能的研究、益生菌等功能产物的挖掘提供大量的基础资源和数据。


构建更大规模的菌株资源库

近年来，随着肠道微生物研究的深入，提高了我们对肠道菌群的认识。其中，宏基因组学技术帮助我们发现越来越多新的微生物序列，但这些微生物序列仍缺乏纯培养的菌株代表，无法明确特定细菌在人体肠道中发挥作用的内在机制，难以实现更深入的研究。

培养组学是一种在宏基因组学之外描述人类肠道菌群的策略，对于描述人类微生物菌群、破译未知人类微生物具有重要作用，可以弥补宏基因组方法的不足。本研究团队长期致力于通过培养组学方法对人体共生微生物进行研究，并于2019年首次构建当时全球最大人体肠道细菌基因组集合（简称CGR），相关研究成果发表于《自然·生物技术》（Nature Biotechnology）。

《自然·生物技术》官网截图

此后，研究团队历时4年，不断收集健康志愿者的粪便样本，拓展培养方法，积累更多新的菌株资源。截至目前，研究团队积累的人体肠道菌株资源已达2万余株，完成了CGR资源库的升级，构建出CGR2。

本次研究项目包含新采集144例中国健康志愿者的粪便样本，结合已公开发表的CGR资源库进行整合分析。总共完成4066株代表性菌株的基因组测序和组装，最终获得3324个高质量基因组。

其中包含的基因组数据涵盖人体肠道微生物中的527个物种，包括179个尚未被报道的细菌新物种，进一步填补了培养组领域数据与资源的空白。


绘制更全面的肠道菌株功能图谱

本研究全面描绘了肠道细菌参与碳水化合物代谢的功能图谱，发现近200个菌株具有完整的膳食纤维（包括果胶、纤维素和菊粉）代谢及短链脂肪酸的合成通路，这些膳食纤维对人体的健康有着重要的作用。

在人体肠道的各类细菌中，拟杆菌门细菌的碳水化合物代谢酶的种类和数量最为丰富。双歧杆菌是母乳喂养的婴儿肠道内最丰富的益生菌之一，本次研究团队培养的双歧杆菌也有完整的母乳寡糖代谢途径，进一步支持了母乳寡糖可作为益生元在人体肠道中通过为双歧杆菌提供养料调节肠道菌群，进而帮助改善人体健康。

次级代谢产物则是细菌生长的非必须物质，但其在医疗、农业和食品等方面的应用极为广泛。在此前已有研究中，研究者们主要在海洋或土壤微生物资源中进行次级代谢产物的挖掘，而本次研究从CGR2数据集合中的2049个基因组中发现了24种类型的4000多个次级代谢物合成基因簇，表明肠道微生物同样具有丰富多样的次级代谢产物合成潜力，可作为抗菌肽、蛋白酶抑制剂等活性物质的来源。

此外，研究团队从CGR2数据集合中共预测到2820条高质量噬菌体序列，其中绝大部分未被报道，但CGR2能提供这些噬菌体明确的宿主信息，并揭示其与宿主间复杂的作用关系，为深入探究噬菌体与人体健康之间的关系和基于噬菌体对疾病的靶向治疗提供了重要参考。

本次研究公开了大量的人体肠道培养活体菌株资源和高质量参考基因组数据，其中也包含了大量已具有自主知识产权的益生菌，包括乳杆菌和双歧杆菌等。通过对这些益生菌基因组的功能进行挖掘和评价，可为下游的益生菌的开发和产业转化提供重要的支撑。

本研究工作由华大研究院团队主导完成，深圳国家基因库为本项目提供支持，其中1282个基因组数据是在华大智造DNBSEQ-T7平台完成。同时，本研究产生的基因组数据已存储于国家基因库生命大数据平台（CNGBdb），项目编号为CNP0000126和CNP0001833。

深圳华大生命科学研究院精准健康研究所宏基因组研究中心肖亮研究员、邹远强副研究员和深圳华大生命科学研究院科学顾问、丹麦哥本哈根大学Karsten Kristiansen教授为本论文共同通讯作者。华南理工大学-华大生命科学研究院联合培养硕士研究生林晓倩和华大生命科学研究院生物信息研究助理胡童远为本论文共同第一作者。本研究已通过伦理和人遗审查，严格遵循相应法规和伦理准则。

参考文献：

[1].Sender R, Fuchs S, Milo R. Revised estimates for the number of human and bacteria cells in the body[J]. PLoS biology, 2016, 14(8): e1002533.

[2].Zou Y, Xue W, Luo G, et al. 1,520 reference genomes from cultivated human gut bacteria enable functional microbiome analyses[J].Nature biotechnology,2019,37(2): 179-185.