2、土壤微生物组研究的国际发展趋势

20 世纪 90 年代以来，土壤微生物组研究日新月异。1997年，英国启动了“土壤生物多样性研究计划”，组织 120 余位科学家参与并设置了30个研究项目，采用分子技术研究土壤生物多样性及其功能，特别是发展了稳定性同位素示踪复杂环境中生物标记物（PLFA/DNA/RNA）技术（Stable Isotope Probe），培养造就了一批迄今活跃在国际土壤生物学前沿的著名科学家，土壤生物多样性的重要性逐渐引起国际社会的关注（表 1）。

我国科技主管部门长期以来高度重视土壤微生物相关研究。国家自然科学基金委2011年启动了相关重大项目，针对稻田土壤关键生物地球化学过程与环境功能，开展了土壤微生物生态学机理研究。2014年科技部启动了“973”基础性研究项目“作物高产高效的土壤微生物区系特征及其调控”。同年，中科院启动了“土壤-微生物系统功能及其调控”战略性先导科技专项，开展土壤微生物组研究。同时期，中科院和国家自然科学基金委也启动了“土壤生物学”学科发展战略研究项目。

2016年5月13日，美国总统科学技术政策办公室与相关政府机构和私人基金会共同颁布了一项新的国家计划——国家微生物组计划（National MicrobiomeInitiative）。这成为奥巴马政府在脑科学计划、精准医学计划和抗癌症计划后的又一个重大国家战略行动，代表着促进科技创新和经济增长的一个新领域。该计划的目标是研究不同环境中微生物组的功能及其利用前景，涵括人体、土壤、海洋、大气等环境中的全部微生物个体及其功能，为解决21世纪人类面临的农业、能源、环境、海洋和气候等重大问题提供新的思路和途径。该计划首次把微生物研究提高到国家战略地位，表明微生物组研究已经成为新一轮国际科技革命的战略高地。

3、土壤微生物组的前沿科学问题

国际土壤微生物组学面临的前沿科学问题可概括为4个主题：土壤微生物多样性形成与维持机制、土壤元素循环的微生物驱动机制、微生物组的资源与环境功能和土壤微生物组的新技术及其应用。其中包含的具体科学问题详述如下。

3.1 土壤微生物多样性的形成与维持机制

（1）土壤微生物多样性的理论与认知。主要包括：土壤中微生物分类，土壤中是否存在目前尚未认知的第4域的微生物类群；土壤中微生物的数量及多样性测度；土壤微生物遗传多样性及其代谢多样性的测度与评价。

（2）土壤微生物多样性的起源与演化。主要包括：土壤中微生物是如何起源和演化的；土壤微生物的地理分布格局及其驱动机制；土壤的发生、发育与形成过程及其与土壤微生物多样性演化的相互作用规律；在地质尺度下土壤微生物多样性的演替规律及其环境驱动机制；土壤微生物组/植物微生物组的相互作用及其共进化机理。

（3）土壤微生物多样性的共存机制。主要包括土壤空间环境下的物质运动规律与生命活动规律是什么？当代环境条件和历史进化因素对土壤微生物空间分布的贡献在不同空间尺度、生态系统类型下有何异同？是否存在统一的理论能够定量/定性准确描述土壤微生物多样性的共存与维持机制？具体的科学问题包括：为什么土壤中存在如此多的微生物类群；土壤生境的异质性、资源多样性、生态位分化及其与微生物多样性之间的关系；进化生物学理论是否可解释微生物的共存与维持机制；生态学基本理论如“物种-面积关系”“距离-衰减模式”及竞争排斥等理论在土壤微生物学研究中的适用性问题。

3.2 土壤元素循环的微生物驱动机制

（1）土壤关键元素循环的微生物作用机理。相关研究主要围绕：土壤碳素循环的微生物作用机理；土壤氮素循环的微生物作用机理；土壤磷转化的微生物作用机理；土壤碳、氮、磷转化的微生物关联机制及其微生物组特征；土壤中大量元素与微量元素的微生物耦合循环机理；土壤关键元素微生物过程的生态计量化学特征及规律。

（2）土壤关键过程的微生物生理驱动机制。所涉及的主要研究方向包括：主要土壤微生物类群的生理功能及其生态位分异规律；土壤化学界面的热力学过程及其微生物驱动机制；土壤团聚体形成与演化的微生物驱动机制；土壤有机质周转速率及世代更新的微生物作用机理；土壤微生物过程的尺度效应及其环境功能。

（3）土壤微生物组功能变异的环境驱动机制。主要围绕以下内容展开：主要类型土壤微生物组对水分、温度和氧气等环境要素的适应与响应机制；土壤微生物个体、种群、群落与微生物组的世代交替时间及其环境驱动机制；土壤微生物个体、种群、群落与土壤微生物组功能表征及其相互作用规律；土壤微生物组对人为活动干扰如抗生素和污染物的适应及响应机制；不同地理格局下同一土壤微生物组的环境适应机制；不同时空尺度下土壤元素循环的微生物过程及其主控环境驱动要素。

3.3 土壤微生物组的资源与环境功能

（1）土壤微生物组的资源潜力。主要着力点包括：土壤微生物个体细胞筛选、富集、培养及其在医疗健康、工业生产和农业应用中的理论研究瓶颈；极端土壤环境，如极度干旱、嗜盐、嗜碱和嗜酸土壤微生物资源发掘；土壤益生菌、病原菌及主要功能类群微生物快速检测与监测的理论基础；废弃物资源化的微生物降解与利用的理论基础。

（2）土壤微生物组介导的地上-地下耦联机制。主要研究方向包括：土壤微生物多样性对地上部生态系统结构与功能稳定性的维持机制；土壤-根系-微生物界面的重要信号物质类型、释放特征、作用机制和调控网络；重要信号物质对根际氮、磷供应和吸收的作用机制；主要作物根际微生物多样性及其对根际土壤氮磷转化过程的调控机制；根际激发效应对土壤氮磷积累与转化的生物调控机制；土壤氮磷高效供应的根际微生物调控技术原理。

（3）土壤微生物介导的食物网络结构及功能。主要研究方向包括：土壤食物网结构与功能维持稳定性的微生物作用机理；微生物-动物-植物界面的物质和能量转化过程；土壤-根系-微生物界面氮、磷养分转化的协同作用机制。