吳清平院士：構(gòu)建微生物大數(shù)據(jù)庫 助力健康中國戰(zhàn)略

文章刊登于《中國科技產(chǎn)業(yè)》雜志

202507期“院士專論

近十多年以來，食品工業(yè)都位居我國第一大制造業(yè)。2023年，我國食品工業(yè)總產(chǎn)值達(dá)9萬億元，中國工程院重大咨詢項(xiàng)目研究結(jié)果顯示，預(yù)計(jì)2035年我國食品工業(yè)總產(chǎn)值將達(dá)30萬億元。食品安全是食品工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的前提和根本。習(xí)近平總書記對食品安全工作作出重要指示，確保食品安全是重要的民生問題、民心工程，要用“四個(gè)最嚴(yán)”來確保廣大人民群眾“舌尖上的安全”。

致病微生物污染是導(dǎo)致食品安全的首要威脅，系統(tǒng)構(gòu)建食源性致病菌大數(shù)據(jù)庫對保障食品工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展意義重大

國內(nèi)外文獻(xiàn)數(shù)據(jù)表明，在引起食品安全的生物、物理和化學(xué)等眾多因素中，60%以上的食物中毒由致病微生物引起。WHO數(shù)據(jù)也顯示，死于食物中毒的兒童，70%以上由致病微生物導(dǎo)致，且每年微生物污染造成的食品腐敗變質(zhì)約占食品工業(yè)產(chǎn)值的10%，損失巨大。目前，食品工業(yè)中致病微生物檢驗(yàn)用到的標(biāo)準(zhǔn)菌株基本都是模式菌株，缺乏對污染我國食品產(chǎn)業(yè)鏈的致病微生物的表型、基因型等數(shù)據(jù)資料，特別是長期污染食品的高毒力持留基因型（HVPG）的特征數(shù)據(jù)不清，且微生物具有種類多、易變異等特點(diǎn)，這就導(dǎo)致了檢測目標(biāo)的針對性和特異性不強(qiáng)。針對我國食品工業(yè)中存在的核心種質(zhì)和系統(tǒng)組學(xué)大數(shù)據(jù)缺乏、食品產(chǎn)業(yè)鏈中HVPG危害與傳播規(guī)律不清、高通量靶向HVPG檢測和高效控制技術(shù)與裝備亟須突破及不同食品行業(yè)的HVPG精準(zhǔn)防控技術(shù)體系尚未建立等關(guān)鍵問題，我們基于全國大宗食品產(chǎn)業(yè)鏈中致病微生物的系統(tǒng)調(diào)查，掌握了HVPG菌株的污染和分布規(guī)律，明確了HVPG菌株的主要基因型，構(gòu)建的中國食品微生物科學(xué)大學(xué)數(shù)據(jù)庫，以“大數(shù)據(jù)”-“菌種基因”-“新靶標(biāo)”-“控制關(guān)鍵技術(shù)”為主線，實(shí)現(xiàn)了從科學(xué)大數(shù)據(jù)庫構(gòu)建到食品產(chǎn)業(yè)中致病微生物防控關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用的系統(tǒng)性重大原始創(chuàng)新，有效解決我國食品微生物安全的重要科技問題，顯著提升食品安全防控能力，極大提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率，在高效助力食品工業(yè)綠色制造和高質(zhì)量發(fā)展方面發(fā)揮了重要作用。

有益微生物是“大食物觀”的重要來源，農(nóng)業(yè)微生物種業(yè)是產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的“芯片”

習(xí)近平總書記強(qiáng)調(diào)“要向森林要食物，向江河湖海要食物，向設(shè)施農(nóng)業(yè)要食物，同時(shí)要從傳統(tǒng)農(nóng)作物和畜禽資源向更豐富的生物資源拓展，發(fā)展生物科技、生物產(chǎn)業(yè)，向植物動(dòng)物微生物要熱量、要蛋白”，繪就了“大食物觀”的全新食物發(fā)展理念和宏偉藍(lán)圖。最為重要的是，“大食物觀”首次將微生物作為食物的重要來源，放在與動(dòng)植物同等重要的地位，這一點(diǎn)特別令人鼓舞，表明微生物在國民經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)中的作用已上升為國家戰(zhàn)略。微生物是世界上第一大生物類群，人類認(rèn)識的微生物總量僅占微生物數(shù)量的1%左右。目前，微生物生產(chǎn)制造的食物資源主要以食物（如蘑菇、木耳等大型真菌）、代謝產(chǎn)物（如發(fā)酵制品、單細(xì)胞蛋白、氨基酸、酶類、維生素、多糖、多肽等活性物質(zhì)）、生物活性制品（微生態(tài)制劑、微生物發(fā)酵飼料、微生物肥料、微生物藥品等）等產(chǎn)品呈現(xiàn)出來。微生物具有種類多、分布廣、遺傳信息復(fù)雜、應(yīng)用廣泛等特點(diǎn)，優(yōu)質(zhì)微生物研究前期投入較大，微生物基礎(chǔ)研究尤其需要政府支持，要從大食物觀和大健康產(chǎn)業(yè)發(fā)展上進(jìn)行原始創(chuàng)新和系統(tǒng)謀劃，探索微生物產(chǎn)業(yè)提質(zhì)增效、高質(zhì)量發(fā)展的有效途徑，一個(gè)菌株可以成就一個(gè)企業(yè)，一個(gè)菌種可以打造一個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈，功能微生物在國家生物制造產(chǎn)業(yè)未來發(fā)展中將發(fā)揮關(guān)鍵作用。

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的高質(zhì)量發(fā)展離不開微生物資源的高效創(chuàng)新利用。據(jù)調(diào)查，我國可公開獲取的微生物資源總量約占世界總量的1/5。然而，我國約占90%微生物資源的遺傳信息未得到充分認(rèn)知，尤其極端生態(tài)地域的微生物資源幾乎未得到利用。我國抗生素、維生素、氨基酸、益生菌的產(chǎn)業(yè)規(guī)模盡管都超過500億元，但核心菌種自主率不足20%，其中生產(chǎn)氨基酸的菌種自主率不足5%，嚴(yán)重制約相關(guān)產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略。種業(yè)是農(nóng)業(yè)的“芯片”，種質(zhì)資源技術(shù)創(chuàng)新是農(nóng)業(yè)微生物產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵，但我國微生物資源儲備與利用總體不足，自給率低，難以滿足產(chǎn)業(yè)對優(yōu)良微生物資源的迫切需求，嚴(yán)重制約了農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。因此，針對國家微生物種業(yè)面臨的難題和發(fā)展困境，需要構(gòu)建“大食物觀”微生物資源宏組學(xué)和優(yōu)質(zhì)高效菌種基因大數(shù)據(jù)庫，搭建人工智能驅(qū)動(dòng)的功能微生物群落組成及其互作關(guān)系模擬分析平臺，揭示食用微生物群落演化規(guī)律與目標(biāo)營養(yǎng)素及特征代謝物動(dòng)態(tài)輸出規(guī)律，基于大數(shù)據(jù)、模型及核心算法，建立新型食用微生物營養(yǎng)及安全性系統(tǒng)評價(jià)分析體系，選育靶向特定功能或應(yīng)用場景的核心菌種，創(chuàng)建高效編輯技術(shù)與底盤細(xì)胞生產(chǎn)體系及自動(dòng)化的微生物細(xì)胞工廠生產(chǎn)裝備，強(qiáng)化食用菌優(yōu)質(zhì)資源、種植養(yǎng)殖與環(huán)境保護(hù)的微生物資源、高值農(nóng)產(chǎn)品加工與生物質(zhì)利用的微生物資源的深度挖掘與利用，夯實(shí)“大食物觀”的種業(yè)創(chuàng)新理念，集中力量破難題、補(bǔ)短板，加大種源關(guān)鍵核心技術(shù)聯(lián)合攻關(guān)，利用已搭建的國家級微生物種業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟，實(shí)行體系化“大兵團(tuán)”作戰(zhàn)模式，實(shí)現(xiàn)國家微生物種業(yè)產(chǎn)業(yè)科技自立自強(qiáng)，為第四次農(nóng)業(yè)革命做好資源和技術(shù)儲備。

農(nóng)業(yè)微生物科學(xué)大數(shù)據(jù)缺乏及微生物與動(dòng)植物互作調(diào)控機(jī)制不清,制約農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展

在微生物菌株及其數(shù)據(jù)資源方面，歐美發(fā)達(dá)國家還是占有絕對的主導(dǎo)權(quán)。世界菌種保藏聯(lián)合會（WFCC）統(tǒng)計(jì)，2021年我國微生物資源總保有量約為4.23×105株，占世界總量的比例約為15%，且我國的專利菌株共享程度較低，發(fā)放率僅為3.3%左右，遠(yuǎn)低于10%～500%的世界先進(jìn)水平。近年來，農(nóng)業(yè)微生物基礎(chǔ)研究與工業(yè)化應(yīng)用生產(chǎn)快速發(fā)展，但我國卻是最大的微生物菌種資源進(jìn)口國，對發(fā)達(dá)國家保藏的專利菌種及生物信息大數(shù)據(jù)依賴性強(qiáng)。農(nóng)業(yè)微生物與動(dòng)植物互作基礎(chǔ)研究在提高農(nóng)作物產(chǎn)量和質(zhì)量，改善農(nóng)產(chǎn)品的營養(yǎng)價(jià)值，提高資源利用效率，促進(jìn)生物多樣性等方面的作用顯著。然而，我國農(nóng)業(yè)微生物組學(xué)大數(shù)據(jù)的缺乏導(dǎo)致農(nóng)業(yè)微生物優(yōu)異遺傳性狀的決定因素與調(diào)控網(wǎng)絡(luò)機(jī)制不清，已成為農(nóng)業(yè)微生物優(yōu)質(zhì)性狀培育的核心瓶頸。因此，亟須探索我國微生物資源數(shù)據(jù)化范式，搭建國家級農(nóng)業(yè)微生物資源“宏組學(xué)-傳統(tǒng)組學(xué)-表型組學(xué)”科學(xué)大數(shù)據(jù)庫平臺，系統(tǒng)開展農(nóng)業(yè)微生物”菌種-基因-數(shù)據(jù)庫”系統(tǒng)性基礎(chǔ)研究，創(chuàng)建大型食用真菌內(nèi)生/共生微生物定向捕獲和高通量培養(yǎng)技術(shù),構(gòu)建大型真菌全景宏組學(xué)和菌種基因大數(shù)據(jù)庫，闡明大宗農(nóng)作物與內(nèi)生/共生微生物互作網(wǎng)絡(luò)及優(yōu)質(zhì)性狀的分子調(diào)控機(jī)理，解析微生物群落/關(guān)鍵基因?qū)︷B(yǎng)殖動(dòng)物優(yōu)良性狀的作用框架及遺傳演化機(jī)制，深度挖掘與開發(fā)提質(zhì)增效的優(yōu)質(zhì)農(nóng)業(yè)微生物，實(shí)現(xiàn)種質(zhì)及數(shù)據(jù)資源的共建、共享、共用，搭建“基礎(chǔ)研究-關(guān)鍵技術(shù)-成果轉(zhuǎn)化”的三位一體產(chǎn)學(xué)研創(chuàng)新與利用平臺，全方位系統(tǒng)發(fā)展農(nóng)業(yè)新質(zhì)生產(chǎn)力，賦能鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略，保障食品及糧食安全，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)強(qiáng)國目標(biāo)。