微生物是地球上最丰富多样的细胞生命形式，存在于各种各样的环境生态环境中。但是，超过99％的细菌和古细菌都不能由纯培养获得，所以现在的我们只是瞥见了这个神秘的微生物世界的表面。我们尚未了解的这些微生物就是所谓的微生物暗物质Microbial Dark Matter （MDM），微生物学家只能通过使用培养以外的技术来研究尚未被培养的微生物的巨大多样性。近年来，虽然许多研究成果在很大程度上增进了我们对微生物多样性的了解，但是，MDM的物种和功能多样性仍然很神秘。
近日，中山大学生命科学学院李文均教授课题组在National Science Review上发表题为“Microbial dark matter coming to light: challenges and opportunities”的文章。这篇文章介绍了目前MDM的研究现状，并提出了研究MDM未来会面临的挑战和机遇。
文章总共分为4个部分，我们依次来看一下：
1、微生物暗物质（MCM）的研究技术
几十年年前，微生物学研究主要集中在纯培养技术上。随着DNA测序和生信分析技术的发展，使得我们可以直接从复杂的环境样品中进行MDM基因组的探索。作者指出，现今，分别从单细胞基因组和宏基因组学方法获得的单扩增基因组（SAG）和宏基因组组装基因组（MAG）已成为最有效的方法，为研究MDM带来了曙光（图1）。与基于marker gene（例如，通过16S rRNA基因进行系统发育研究）通过系统发育从属关系推测功能，或从中，低质量草图基因组推断功能相比，使用高质量的SAG或MAG，可以更可靠地预测MDM的代谢潜力。即使是低质量的MAG和SAG也可以使研究人员深入了解三个基本科学问题：它们是谁？他们在哪？他们能做什么？有了这些信息，微生物学家可以轻松地设计实验和针对性的培养方法来进行研究了。
图一：MAG和SAG使研究人员深入了解三个基本科学问题：它们是谁？他们在哪？他们能做什么？
2、MDM的近期研究成果
SAG和MAG的研究揭示了自然界中微生物多样性的一些重大发现。在过去十年中，学者们已经从环境样本中检索出了代表主要谱系的许多MAG或SAG（表1）。
（*中国人参与出版 a古细菌候选门）
对MDM的这些研究正在改变我们对生命起源和进化的思考方式。MDM的代谢用途广泛，是另一个值得研究的值得研究的领域，例如，编码厌氧甲烷氧化酶和异化硫酸盐还原酶的基因在Korracheota MAGs中被检测到，这表明这两种功能通常由同营养体的不同配体编码，在单个生物体内耦合[1]。
此外，MDM的基因组分析使我们看到了新的微生物功能，这些功能可用于生物医学，生物能源和生物技术以及生物修复方面的进步。MDM的多功能性向我们展示了它们“多彩”的一面，使我们对所生活的世界有了更好的了解。
3、研究MDM的挑战与机遇
第一个挑战，如何是如何更好地进行MCM的沟通。由于分类和术语不稳定，因此目前有关MDM的交流非常困难。管理细菌和古细菌命名法的国际原核生物命名法典（ICNP）的当前版本未涵盖未培养的微生物，这使得科学交流具有挑战性。
第二个挑战是从基因组信息推断功能仍然非常困难。基于来自MDM的MAG和SAG的基因组信息的代谢预测只是潜在的，并不是有力的证据，并且MDM基因组中超过一半的基因没有注释的功能，严重限制了我们对MDM功能的探索。
第三个挑战是培养MDM仍然很困难。
4、MDM研究的未来展望
基于与MDM有关的三个主要挑战，作者提倡三种方法来促进未来的MDM研究。
首先，仍需要对MDM进行多种组学（例如宏基因组学，宏转录组学，宏蛋白质组学，代谢组学等）联合的方法进行研究，以探索各类自然环境，尤其是极端环境下，微生物物种和功能的多样性。
需要加强物种与其原位功能之间的联系。现在，可以通过整合组学，FISH，MAR，NanoSIMS，Raman和异源表达等技术对MDM功能进行探索。
需要建立和探索以多组学信息和功能网络信息为指导的新的培养方法。对MDM的进一步了解需要许多学科和多维知识的结合；
作者还强调需要建立MDM研究中心，以不同的方式应对这些挑战，从开发研究设施和提供技术援助到培训下一代科学家，以及提供学术交流平台。
对MDM的探索就像打开一个魔盒，其中可以装满充满惊喜的糖果。 MDM的研究仍处于起步阶段，对MDM的进一步探索将继续为MDM在自然界中的进化和作用提供意想不到的答案。但是，作为科学家，“盒子”所展示的奇妙事物并不是MDM研究的最终答案，而是进一步探索生态和进化机制的起点。
原文链接：Microbial dark matter coming to light: challenges and opportunitiesacademic.oup.com
参考资料：
Co-occurring genomic capacity for anaerobic methane and dissimilatory sulfur metabolisms discovered in the Korarchaeotawww.nature.com
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