从一个将人类、农业和环境生态系统彼此隔离的框架，到一个专注于病原体溢出并塑造跨生态系统疾病风险的One Health结构，健康框架随着时间的推移而演变。宾夕法尼亚州立大学的一个扩展版One Health微生物组科学视野纳入了所有微生物的生态学。它强调，致病和促进健康的微生物流动将人类、环境和农业联系在一起，从而塑造生态系统的健康和恢复力。根据研究人员的说法，这个One Health框架有意统一微生物组科学，通过跨系统验证和比较研究来推进核心学科理论和原则。
即使我们看不见它们，微生物无处不在，与地球上的生命在各个层面紧密相连。它们从能使我们生病的病原菌和病毒，到生活在每种动物消化道中的帮助分解食物以获取重要营养物质的微生物，再到对我们的作物生长和养活世界至关重要的土壤微生物，种类繁多。
特定环境中栖息的微生物群落——包括植物、动物、土壤、海洋、家庭和肠道——被称为微生物组。过去几十年里，人们对微生物组科学的兴趣呈指数级增长，其最近的根源可以追溯到20年前的微生物生态学研究。
宾夕法尼亚州立大学的One Health微生物组中心位于Huck生命科学研究所内，如今是最大的、最活跃的跨学科微生物组研究人员集合之一，包括来自宾夕法尼亚州立大学10个学院42个系的550多名成员，以及外部合作伙伴。
该中心旨在建立长期的工作关系，同时提供基础设施和资源，支持变革性的跨学科微生物组研究。六个月前，该中心因其在全球微生物学领域的影响力而获得国际奖项，并接受了宾夕法尼亚州立大学校长Neeli Bendapudi的访问，她在“Neeli的笔记：宾夕法尼亚州立大学在微生物组研究的前沿”中对此进行了描述。
最近，该中心来自七个部门的成员在《mBio》杂志上发表了一篇文章，解释了如何通过“One Health框架”解锁微生物组的全部潜力，以增强全球健康并可持续地管理生态系统。
什么是One Health框架，它如何指导中心的工作？
Seth Bordenstein，Dorothy Foehr Huck and J. Lloyd Huck微生物组科学讲席教授，One Health微生物组中心主任，生物学和昆虫学教授：One Health这个词虽然相对较新，但其概念已经存在一段时间。它描述了一种将人类健康与农业和环境联系起来的方法。
我们希望在中心名称中使用One Health，以区别于过去15年中建立的许多其他微生物组中心，并作为我们统一和打破微生物组科学领域壁垒愿望的标志。这个领域非常分散，植物生物学家接受植物微生物组培训，人类科学家接受人类微生物组培训，等等。
通过宾夕法尼亚州立大学的One Health微生物组中心，我们主张我们研究所有事物的微生物组，并且应该有普遍规则、劳动力发展和教育渠道，这些规则和渠道应涵盖从农业到环境再到人类的所有生态系统。
为什么需要扩展One Health框架？
Bordenstein：历史上，One Health作为一个独立的领域发展，与微生物组科学分开。重要的是，它提倡跨学科方法，但其重点一直是病原体，例如HIV从灵长类动物或SARS-CoV-2从蝙蝠中出现。现在是时候升级这种方法，包括所有微生物，并最重要的是承认微生物在我们生活的许多方面发挥的有益作用。
Nichole Ginnan，One Health微生物组中心研究项目经理：我真心希望这种One Health框架的扩展能帮助我们从健康和恢复力的角度理解全球健康。除了关注病原体在不同系统之间的溢出，如COVID，我们还对其他微生物（包括潜在有益的微生物）在“孤立”系统之间的移动感兴趣。
如果我们能够理解这一点，我们可能能够预防疾病并专注于健康。我们可以利用这个框架来促进跨系统的比较和整合研究。
Erika Ganda，食品动物微生物组助理教授：作为一名兽医——特别是在食品生产系统中——我们致力于保持动物健康，以便我们能够拥有健康的食品供应。扩大One Health可以帮助我们优化动物健康、生产和食品供应的可持续性。
为什么研究微生物组很重要？
Ginnan：最初，微生物组被认为是一种工具，而不是一个独立的学科。一位植物科学家可能会测量微生物组以了解他们感兴趣的特定植物，但随着该领域的发展，我们意识到微生物在跨系统健康中发挥的关键作用。我们希望通过开发基础原理和理论来使微生物组科学成为一个成熟的学科。为此，我们必须比较不同系统，以便开始揭示共同的规则和过程。
Bordenstein：回顾微生物学和病菌理论的起源，微生物最初被认为是仅作为病原体。在过去几十年里，微生物组科学揭示了一个事实，即可能只有1%的人类微生物对我们和其他动物有害，其余99%是有益或无害的。
因此，如果我们要解决任何生态系统中的长期健康和可持续性问题——无论是我们的身体、农业产出还是环境——我们不能只关注病原体，还需要扩大视野，包括所有微生物。宾夕法尼亚州立大学正在定义这一未来，在视角文章和中心运营中。
微生物组有哪些例子，不仅仅是我们的肠道？
Bordenstein：你可以想到的每个环境——我们的肠道、植物根部、建筑环境、土壤、两栖动物皮肤——普遍都会有一个由微观生物群落定义的微生物组。微生物组革命的定义是对这些群落中微生物多样性的分析。围绕One Health微生物组科学的行动呼吁是，我们只有通过了解不仅在那个环境中存在什么，还要了解微生物如何在这些环境中流动，才能理解系统的健康状况。
Ganda：想想每年秋天落在地上的所有叶子。如果没有生活在叶子和土壤中的微生物提供的生态系统服务，我们将被淹没在叶子中。微生物是终极回收者。
Ginnan：没错，土壤中充满了微生物。据估计，地球上总生物多样性的一半生活在土壤中。因此，作为一名植物和土壤微生物组研究人员，我希望人们更广泛地思考微生物组。它们无处不在，并且随着微生物在环境之间移动，从土壤到植物和动物，再回到土壤，影响着我们的生活。
从病原体转向更广泛的健康观念对微生物组科学意味着什么？
Bordenstein：我们可以考虑用抗生素或抗病毒药物对抗病原体，进行疾病监测并尽早解决问题，但现在微生物组科学的核心思想是，我们可以在环境中或我们的身体中构建一个微生物组以预防疾病。这是该领域将要做的事情的不同之处。我们在宾夕法尼亚州立大学有许多研究人员正在思考这些对多样化系统至关重要的问题。
想法是我们可以了解一个微生物群落及其对病原体或慢性疾病的易感性或抵抗力，然后将该群落简化为防止感染或疾病的必要成分。工程合成微生物组放回环境中将防止疾病，并向我们展示微生物组如何自然地增强健康和福祉。
Ginnan：工程微生物组是一种方法，但在农业科学中，我们更多关注的是管理微生物组。我们认为微生物组是一种增强恢复力的方式。现代农业倾向于依赖合成肥料，这可能会通过减少植物对循环土壤中养分的微生物伙伴的依赖而破坏自然的植物-微生物相互作用。
随着时间的推移，这可能导致关键微生物种群的减少，这些微生物种群在支持植物健康、抵御环境压力和养分吸收方面发挥着重要作用。如果合成肥料变得过于昂贵，或者在干旱等环境压力期间，植物可能会失去这些有益微生物的获取途径。
除了或代替接种工程微生物组，我们旨在开发和实施管理措施，如覆盖作物或添加特定的土壤改良剂，以增强土壤微生物多样性并促进对植物健康和恢复力至关重要的微生物功能。
Ganda：对于奶牛和其他反刍动物来说，动物营养取决于它们肠道中微生物的管理。你可能会问，为什么奶牛吃草就能增重，而人类被告知吃叶子会减肥。这是因为奶牛体内的微生物使它们能够从草中提取能量，而我们大多数人没有这些微生物。
这种“超能力”使反刍动物能够获取人类无法获取的能量，并将其转化为营养丰富的肉和牛奶，这是大多数人类饮食的重要组成部分。因此，奶牛的微生物组与人类营养之间存在直接关系。
如何利用个体、群体和环境尺度上的微生物组连接来增加全球福祉？
Ginnan：地球上的任何系统都不是孤立的，但我们历来都是孤立地研究它们。我们希望确定一些基本原理，以了解不同的微生物组如何表现相同。一种方法是观察不同微生物组如何应对压力。在应对压力时，我们是否看到相同的微生物或它们表达的基因变得更加丰富？
这可以引导我们发现微生物群落共享的基本规则。我们已经为宏观生物开发了一系列生态学和进化的基本理论，这些原则是否也适用于微生物？在某些情况下适用，在某些情况下不适用，但如果我们可以理解这些模式，就可以管理微生物群落以支持全球健康。
应用One Health框架进行微生物组科学研究有何挑战？
Bordenstein：一个主要挑战是资助机构的结构方式使得它们不太适合利用跨学科研究所需的融合主题。三大机构中，美国国家科学基金会（NSF）专注于基础科学，国立卫生研究院（NIH）专注于人类科学，美国农业部（USDA）专注于农业科学。
One Health微生物组科学试图将这一切结合起来。因此，我们论文中的行动呼吁是如何重新构建我们的研究企业，以解决这些需要更宽广视角的更广泛问题。
宾夕法尼亚州立大学和One Health微生物组中心如何促进您所谈论的变化？
Ginnan：宾夕法尼亚州立大学非常支持跨学科研究，在中心我们通过团队科学来实现这一点。我们希望跨学科小组从一开始就一起工作，当他们只是在制定指导研究的问题时就开始合作。
Bordenstein：我们是世界上唯一的One Health微生物组中心，也因此获得了认可。大约10到15年前，宾夕法尼亚州立大学决定通过聘请杰出的早期职业研究人员来投资微生物组科学，这一投资正在今天的创造性跨学科研究中得到回报，并将持续数十年。
一个具体的例子是我们与Huck生命科学研究所内的生殖生物学和健康中心合作，开发了第一个美国农业部研究生培训项目，专注于动物生殖微生物组。我们还有一个正在审核的NIH培训项目，该项目为研究生设立了一个通用课程，无论他们研究植物、动物还是土壤，都能学习微生物组科学。
我们还有第一个微生物组科学双学位项目，其中我们有40门课程供学生选择，这样他们可以获得例如生物学和微生物组科学的博士学位。
Ganda：双学位项目是在一次教师研讨会上提出的，当时来自不同领域的教师意识到我们各自单独教授学生许多相同的基础课程。与其每个人都在自己的孤岛中重复造轮子，不如我们可以集中资源确保学生学习这些基础概念。
此外，宾夕法尼亚州立大学拥有进行这类研究所需的资源和设施，人们愿意合作并分享信息，这并不总是常见的情况。
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