張志剛：沉浸在腸道微生物研究中的科學痴迷者

人體內大約有30萬億個細胞，微生物的數量大約為39萬億，它們與所有生命體共生共存，是這個星球真正的主人。自17世紀列文虎克發現微生物以來，再到19世紀中期微生物學科的建立，腸道微生物學研究逐漸成為這門學科的一個重要分支，在各個領域研究中充當著跨界者的角色。無數的科學家們不惜窮盡一生去探尋腸道微生物學中的奧秘，而雲南大學研究員張志剛便是其中的一個。從植物學跨界到腸道微生物學，他在這條道路上行進了11個年頭，並將這份事業的信仰融入骨血，在祖國西南紅土上澆灌出了豔麗的花朵。

陰差陽錯，闖入腸道微生物的世界

1998年，19歲的張志剛考入內蒙古農業大學植物保護專業。在好奇心和求知慾的驅動下，不斷攀登著科研的學術高峰。大四畢業後，張志剛順利考入雲南農業大學，直接攻博，進入植物病理學專業。從內蒙古到雲南，從未離開過家鄉的張志剛對於異鄉並沒有一絲的擔心和害怕，他滿懷憧憬，期待著收穫更多的學科知識。

清秀的昆明，柔軟的麗江古城，永恆寧靜的香格裡拉，悠遠的大理……在領略雲南之美的同時，張志剛也不忘學習，努力汲取知識。本以為，通過10年積攢的植物學知識可以讓他大展拳腳，在植物學領域有所建樹，但命運似乎要給這個年輕人多一些歷練。2009年，張志剛進入中國科學院昆明動物研究所施鵬研究員團隊，在施鵬的大力支持下，從事腸道微生物組研究工作。這對他來說，是一個全新的領域。

張志剛

孟子曰：「天將降大任於是人也，必先苦其心志，勞其筋骨，餓其體膚，空乏其身」，憑藉刻苦鑽研的精神和孜孜不倦的學習態度，張志剛很快便掌握了腸道微生物研究的基礎知識。「儘管我是半路出家，但我發現植物學的知識對於研究腸道微生物組有諸多裨益，它讓我的知識領域更加寬廣，啟迪我以一個全新的角度出發去研究腸道微生物。」張志剛笑著說。

2020年，是張志剛進行腸道微生物組研究的第11個年頭了。在這11年裡，張志剛以植物學為基石，朝著腸道微生物組領域「開疆擴土」。他由一名助理研究員成長為副研究員再到研究員、博導，工作單位由中國科學院昆明動物研究所變成雲南大學。但不變的，是他對七彩雲南和腸道微生物組研究發自內心的熱愛。

近年來，張志剛藉助宏基因組學的手段，綜合利用多學科交叉的策略，在疾病診斷的微生態理論和技術體系的構建、解析腸道微生物在動物適應性進化過程的作用等方面取得了一系列突出的原創性成果，並在國際上產生了重要的影響。張志剛以（共同）第一作者或（共同）通訊作者發表了SCI論文16篇，其中包括領域內的頂級雜誌Current Biology（3篇），Am. J. Gastroenterol.（1篇），ISME J.（1篇）。累計被Nature，Cell，Nature Reviews Microbiology，Nature Microbiology，Nature Medicine, Cell Host & Microbe，PNAS等國際核心SCI刊物引用近800次，其中6篇引用超過70次，單篇最高引數為超過130次，累計影響因子為46.429。此外，這些文章的相關內容已被寫入13部教科書中，部分研究成果獲得了2019年雲南省自然科學獎一等獎（排名第二）。由此，張志剛先後榮獲「雲南省中青年學術後備人才」「雲南省萬人計劃青年拔尖人才」等榮譽稱號，並成為雲南生物資源保護與利用國家重點實驗室生命與分子科學學科群整合生物學研究組PI。

任重道遠，利用腸道微生物治療人體疾病

腸道微生物被譽為人類的「第二基因組」，同時也是人體內的一個「隱形」器官。目前已有研究表明，腸道菌群可以通過微生物本身直接或代謝產物間接與腸道細胞相互作用，影響人體的免疫、神經、代謝、內分泌等多系統的功能，進而造成各種慢性疾病，如腸道炎症、自閉症、糖尿病等多種疾病都與腸道菌群的紊亂相關。

張志剛在研究人體腸道微生物與疾病發生的關係時，綜合應用了經典生態學、進化生物學、網絡生物學、基礎醫學等研究方法和思路，並與中國科學院昆明動物研究所、雲南省兄弟醫院單位進行合作研究，初步搭建了與疾病診斷相關的微生態理論框架和技術體系。

「我們發現，當人體共生微生物發生移位（translocation）時，會大大增加疾病發生的複雜性和潛在風險。」張志剛介紹說，比如，當口腔唾液鏈球菌移位到腸道，就會促進肝硬化並發輕型肝性腦病（MHE）的發生。因為口腔唾液鏈球菌富含尿素酶，能夠代謝尿素為胺，致腦中血胺積累，從而誘發MHE。因此該細菌被認為是MHE患者腸道微生態功能修復的重要靶標。又如，膽石症患者的膽道微生物至少70%是與腸道同源的。

「此外，當疾病發生發展到不同階段時，潛在的先導微生物可能也不相同。」張志剛如數家珍般談起他的研究發現，「比如在結直腸癌早期階段，也就是息肉至腺瘤階段，可能起到誘導突變發生的驅動細菌和抗炎的乘客細菌（抑制驅動細菌）佔據優勢地位，而稍晚的階段，良性腺瘤發生癌變後，促炎乘客細菌逐漸代替了驅動細菌並加速了病程。又比如，剛才我們提到的口腔唾液鏈球菌，在正常健康的人轉為肝硬化再到肝硬化並發MHE發病的過程中，它在MHE階段的優勢地位最為明顯……」

張志剛近年來關於人體腸道微生物與疾病之間的關係的理論成果十分豐碩。這些成果不僅揭示了人體生命系統的機制與規律，而且還可以幫助解決人類面臨的諸多健康疾病問題，為人體健康做出貢獻。

相得益彰，腸道微生物趨同動物適應性進化

在自然界中，當環境條件發生變化時，動物會以某些適應性行為及自身內部的調節來適應變化，如向其他地方遷徙、進入冬眠、減少能量消耗等。動物適應性進化的過程實際上就是動物不斷提高生存能力的過程。而動物適應性進化涉及動物對高原、洞穴、水質等生活環境的適應，以及對食性轉換與特化的適應等各個方面。

研究動物的適應性進化對理解生物的進化機制具有非常重要的意義，特別是針對適應高溫、高寒、低氧等極端環境的動物的研究，能對人類進一步利用這些極端環境提供很好的思路和基礎。

而在我國，青藏高原是動物生存最極端的環境之一，耗牛等動物在長期適應高原環境的過程中，逐漸形成了耐低氧、耐高寒和耐低熱量食物等特性。張志剛發現，與犛牛的能量代謝相關基因、低氧適應相關基因的適應性改變和擴張等基因組的遺傳變異相比，其腸道微生物組的遺傳多樣性更豐富，可塑性更強。從腸道微生物視角出發，探討哺乳動物高原適應的機制有望實現突破。由此，張志剛與施鵬研究員、龍瑞軍教授、趙方慶研究員展開了合作。

「與黃牛、普通綿羊等低海拔近緣物種相比，犛牛、藏綿羊等動物已經很好地適應了高原環境。通過研究犛牛、藏綿羊的胃腸道微生物發現，其結構和功能發生了趨同的進化。這樣一方面能夠協助宿主產生更多的能量物質，如短鏈脂肪酸等，另一方面釋放更少的甲烷，而甲烷是瘤胃發酵的副產物。由此表明，腸道微生物穩態的適應性改變也是同域哺乳動物適應進化的新的驅動力。」張志剛說。後來，他與李志鵬研究員展開了進一步的合作。這次他們以梅花鹿為例，以人工馴化條件下攝食玉米秸稈為參照，餵食天然條件下採食的柞樹葉（富含單寧）後，梅花鹿體內的瘤胃微生物群落結構和發酵模式發生了適應性改變。在高單寧的極端營養脅迫下，瘤胃微生物，包括細菌、古菌、真菌以及原蟲，都做出了快速的響應，由此腸道微生物重塑並維持了與動物宿主的互利共生關係。這對動物本身的健康及對極端環境的適應是極其有利的。

張志剛將其研究成果進行了整理匯總，並以第一作者或共同通訊作者的身份發表了5篇SCI論文。這些發現，夯實了腸道微生物在動物適應進化過程中的作用，也為從瘤胃微生物角度改善或促進反芻動物營養健康提供了重要的參考。2017年10月，由中國生態學會動物生態學專業委員會、中國動物學會獸類學分會、中國野生動物保護協會科技委員會、國際動物學會和四川省動物學會主辦的第十三屆全國野生動物生態與資源保護學術研討會召開。張志剛受邀出席並作了題為「Hologenomes and Adaptive Evolution in Animals」的特邀報告。這是對這一研究成果的肯定，更是對張志剛多年付出的回報。

史無前例，在熊蜂物種中發現腸型分化

除了在醫療健康以及生態領域的應用，腸道微生物學在農業生產領域也有著重要的地位。隨著農業現代化和集約化的發展，昔日野生授粉昆蟲賴以生存的生境被破壞、大量農藥的使用、單一作物的大面積種植、各種病原微生物的流行及外來入侵生物的影響等多種因素導致野生授粉昆蟲的種群數量銳減，再加上設施農業的飛速發展，勞動力成本的快速上升，無公害食品需求迫切，使得昆蟲授粉越來越體現出其重要性。

在我國，熊蜂物種多樣性最為豐富，是除蜜蜂之外最為重要的授粉昆蟲，對於農業授粉和生物多樣性的維持具有重要的作用。張志剛從腸道微生物的視角出發，試圖通過破解腸道微生物與熊蜂健康的關係，來充分保護和利用熊蜂物種。

張志剛請來了李繼蓮研究員和美國科學院院士Nancy A. Moran，調查了迄今為止最多的28個中國野生熊蜂物種腸道菌群的多樣性情況。他們發現，熊蜂腸道微生物存在兩種保守的生態型，且獨立於熊蜂物種的遺傳分化和地理分布的差異。一種生態型是由Gilliamella和Snodgrassella菌群組成，這兩類菌群在蜜蜂中也存在，屬於健康授粉昆蟲穩定的微生態類型；另一種生態型主要是由環境性菌群組成，且含有一些條件致病菌，如哈夫尼菌屬（Hafnia）和沙雷氏菌屬（Serratia），幾乎佔到我國野生熊蜂群體的50%的比例。這是繼在人類、大猩猩等哺乳動物身體內發現腸道微生物存在特定生態型後，首次在傳粉昆蟲熊蜂上發現。這一突破性的發現，讓三位專家驚喜不已，他們選取了不同生殖生理狀態下的蜂王，試圖比較其腸道菌群總的含量及多樣性和構成。「在未交配和產卵蜂王中，腸道菌群較為相似，主要優勢菌為Gilliamella、Snodgrassella和Lactobacillus，但Bifidobacterium則只在產卵蜂王中含量相對較高，而在交配蜂王的腸道中優勢菌屬則為Bacillus、Lactococcus和Pseudomonas。」

該研究首次闡明了熊蜂蜂王的重要生命階段的腸道菌群及優勢菌群的變化與其生殖健康的關係，有助於人們了解蜂王生理、行為及生存環境的變化與其相關微生物類群之間可能存在的聯繫，為進一步研究蜂王腸道優勢菌在不同生殖狀態下的功能奠定了基礎，同時也提示了腸道菌群可能介導了蜂王的生殖健康。

張志剛的研究深刻地表明了腸型在野生動物健康監測方面意義重大。後期Nancy A. Moran等人證實了抗生素誘導下部分條件致病菌轉換成致病菌，說明過度使用抗生素或農藥對授粉昆蟲健康威脅極大，這為我國野生熊蜂物種的保護敲響了警鐘。

春種秋收，耕耘不輟。談及2020年主要開展的工作，張志剛介紹，課題組正在圍繞幾個不同的問題開展研究：一是高原微生物多樣性保護和可持續利用問題，二是動物腸道微生物組與動物高原低氧適應問題。目前都已取得階段性成果。

腸道微生物整合生物學實驗室全體成員

回首科研路，除了那些熠熠生輝的科研成果，張志剛更感懷的是幫助過他的親朋師友們。在中國科學院昆明動物研究所，正是因為施鵬研究員曾給予他的鼎力支持，才讓他在腸道微生物的研究中不斷取得突破、收穫成長，兩人也在工作中建立了深厚的友誼。在雲南大學，雲南生物資源保護和利用國家重點實驗室主任張克勤也是這樣不遺餘力地給他支持、給他鼓勵，讓他在雲南大學掀開了事業發展新的篇章，取得了新的突破。

自助者天助之。懷著對過去的感恩，對於未來，張志剛信心滿滿：「近年來，隨著科技的發展，我們的科研條件越來越好，這給我們的研究發現提供了極大的便利。不馳於空想、不騖於虛聲，科學研究沒有捷徑，唯有踏踏實實，一步一個腳印地向前走，才能有所收穫。相信未來，胃腸道微生物宏基因組學研究的內涵和定義將由我們自己來界定。」