目前，人类社会的可持续发展面临着众多的挑战和危机，涉及全球气候变暖、土壤与水体污染、抗生素耐药性以及生物多样性降低等方面。Science杂志在2021年将“我们可以阻止全球气候变化吗？”和“我们能把过量的二氧化碳存到何处？”等列入了全世界最前沿的125个科学问题。微生物、病毒和质粒等在地球元素循环中扮演着关键角色，其独特基因和代谢功能能够为提高人类的生产效率并改善生存条件提供帮助。深入认识微生物、病毒和质粒等的多样性、功能特征、环境影响，以及潜在的可利用资源，一直以来都是微生物生态学研究的核心内容。因此，阐明微生物与病毒等的互作机制和环境效应，对微生物多样性的形成和保护、新生物技术方法的开发和理解它们在气候变化中的角色和功能等都至关重要。

尽管学界在微生物资源利用方面已取得了一些进展，但要实现借助微生物来改善全球环境的愿景仍需跨越诸多障碍。这主要是因为我们对微生物、病毒和质粒等染色体外遗传物质的多样性和功能的了解尚不充分；对它们在生态系统中复杂的相互作用的理解和环境效应的认识仍然十分有限；以及当前的研究技术和方法仍然存在一定局限性等。

针对这些挑战，本团队计划聚焦土壤和淡水湿地等生境，应用宏基因组学、宏转录组学、DNA-SIP、实验室富集培养、基因编辑等先进技术，继续攻克上述科学障碍，扩展对微生物和病毒、质粒等染色体外遗传物质的多样性和功能的认识，揭示它们的互作机制和环境效应，挖掘可利用的微生物资源，为改善环境做出贡献（具体如下图所示）。

1. 染色体外遗传物质和可移动基因元件的鉴定及其多样性和功能研究。

在微生物领域，染色体外遗传物质（extrachromosomal genetic elements，ECEs）包括病毒、质粒以及其他尚未分类的遗传物质；而可移动基因元件（mobile genetic elements，MGEs）则涵盖了病毒、质粒、转座子以及其他未分类元件。近年来，科学家利用宏基因组发现了越来越多的 ECEs 和 MGEs，其中一些对于环境和人类的健康具有至关重要的作用。然而，学界对于它们的鉴定，特别是功能的研究，却一直存在着挑战。在过去5年的研究中，我们利用宏基因组学揭示了几类重要的 ECEs 和 MGEs 的分布和功能特征，例如 PmoC-phages 和 TnpBs-Fanzors（Nucleic. Acids. Res., 2023, gkad1053）。未来，本团队将继续利用多组学技术和实验验证等手段，探索更多未知且具有潜在重要意义的 ECEs 和 MGEs。具体来说，将围绕以下几个方面展开研究：

(1) 利用宏基因组学数据鉴定新型 ECEs 和 MGEs：宏基因组提供了大量不可分类的基因组数据，其中很多是潜在的新型 ECGs 和 MGEs。拟对公共数据库中某些特定生境的数据和实验室从头测序的数据进行挖掘，利用基因组比对、标记基因、机器学习等方法来鉴定未知的或者新型的 ECGs 和 MGEs，并对它们的多样性、分布、功能和生态位角色等进行系统分析，以揭示它们在地球元素循环和环境健康等方面的作用。

(2) 构建全球生境的大噬菌体基因组数据库：大噬菌体的生态和进化研究具有重要的意义，而目前已报道的大噬菌体基因组还很少（~2000个左右），这限制了对它们的认识。拟通过收集已报道的大噬菌体基因组，同时通过其开发的 COBRA 等工具从宏基因组数据中获取更多未报道的基因组，从而建立全球生境的大噬菌体基因组数据库。在此基础上，解释大噬菌体的多样性、分布和功能，并揭示它们的进化历史。

(3) 结合大数据分析和分子实验验证噬菌体的未知功能基因：噬菌体编码了很多未知功能的基因，它们通常与已知蛋白具有极低的序列相似性（甚至无相似性），但在三维结构上却可能存在相似之处。拟通过对大噬菌体编码的基因进行蛋白质家族聚类分析，然后选取一些未知的且为大部分基因组所编码的基因进行基因区域分析和 Alphafold 三维结构预测。基于结构预测推测出可能的蛋白功能，然后利用编码了该蛋白家族的可培养噬菌体进行基因敲除或沉默和噬菌斑分析等，来揭示该蛋白家族在噬菌体中的功能和意义。

2. 淡水湿地环境中微生物和病毒介导的物质能量循环与环境效应。

淡水湿地包括淡水湖泊、河流、沼泽、湿地草地、湿地滩涂等生境。尽管淡水湿地仅占地球陆地面积的不到8%，但它们却蕴含着丰富的微生物资源，在全球碳循环中具有重要作用，而且是甲烷排放的主要来源之一。了解淡水湿地中微生物、病毒和质粒等的多样性和功能等特征，将为我们监测和控制水污染以及甲烷的排放提供科学依据。基于此，计划开展以下几个方面的研究：

（1）淡水湖泊中的微生物、病毒和质粒等的动态特征及其在水华中的角色和功能：在淡水湖泊中，微生物、病毒和质粒等的群落动态变化对水华形成过程至关重要。我们将通过长期的和多深度的采样、细胞计数和高通量测序等技术手段，探索微生物、病毒和质粒等的在水体中的空间分布和季节变化规律等。利用宏基因组学和宏转录组学等方法，解析微生物、病毒和质粒等在水华中的功能作用、潜在的互作机制以及与藻类等其他生物体之间的相互联系等等。

（2）淡水湿地中甲烷代谢微生物和病毒等的多样性和活性：微生物和病毒等染色体外遗传物质（如 PmoC-phages，Borgs 等）是甲烷循环的关键调控因子。将针对不同类型的淡水湿地样品，利用宏基因组学、宏转录组学和 DNA-SIP 等方法，研究与甲烷代谢相关的微生物和病毒等的多样性和群落结构以及时空分布规律，深入探讨它们在甲烷的产生和消耗中的作用，从而理解其在淡水湿地甲烷循环中的贡献和调控机制。

（3）探索 PmoC-phages 的多样性、分布和基因组改造的可行性：PmoC-phages是甲烷氧化细菌噬菌体，已在湖泊、河流、土壤和污水处理厂等生境中被发现，因此可能在甲烷氧化细菌的生理功能和进化中发挥重要作用。将利用宏基因组系统调查不同环境中 PmoC-phages 的多样性、丰度和进化等，并基于实验室的富集或分离培养来解析其参与甲烷氧化的分子机制，了解其与甲烷氧化细菌的共生关系。同时尝试通过基因编辑技术，探索调控 PmoC-phages 与甲烷氧化细菌相互作用的可行性，以及其对甲烷循环的影响。

3. 介导土壤碳循环的微生物和病毒的多样性和机制研究。

在当前环境变化日益严峻的背景下，深入研究土壤微生物和病毒在碳循环中的作用至关重要。它们不仅是土壤生态系统中的重要组成部分，还直接影响着碳循环过程及其对气候变化的调节作用。了解其多样性、功能、互作关系、环境效应、及其应对环境变化的调节机制，有助于揭示土壤生态系统的稳定性和可持续性，为土壤资源的保护和管理提供科学依据。基于此，拟开展以下研究：

(1) 碳循环相关的微生物和病毒研究：利用宏基因组和宏转录组技术，深入挖掘土壤微生物和病毒的多样性和功能，特别是那些与碳循环密切相关的种类。通过室内实验并结合 DNA-SIP 等分析技术，追踪标记碳同位素以研究不同微生物和病毒群体在碳循环中的作用和相互关系。探索微生物和病毒在应对环境变化时的调节机制，以及它们对碳循环过程中关键基因的表达调控。

(2) RuBisCO基因的多样性，相应微生物的分离和固碳能力的评估：通过宏基因组和分子进化分析等技术，对土壤微生物中 RuBisCO 基因的多样性和进化历史进行深入分析。其次，采用微生物分离培养技术，从土壤样品中分离和鉴定不同 RuBisCO 基因型的微生物，并结合DNA-SIP 等技术评估其固碳能力等。对新型的 RuBisCO 基因进行蛋白表达，解析其蛋白结构和功能特征等。

(3) 探索通过基因编辑增强土壤微生物的固碳能力的可能性：基于上述两方面的研究结果，在实验室内利用 CRISPR-Cas 等技术，尝试对分离到的土壤微生物进行固碳相关基因的定向编辑，以提高其固碳能力。其次，在实验室条件下构建人工群落，通过宏基因组和宏转录组等技术，评估编辑后的微生物在群落中的生态功能和适应性等特征，并探索潜在的应用前景。