长期以来，科学界普遍将地下水视为次要的微生物栖息地。这种“看不见的世界”常被认为生物多样性低、功能单一，且与土壤和海洋生态系统相比缺乏研究价值。公开基因组数据库中地下水来源的微生物基因组严重不足。在主要的地球微生物基因组目录中，仅有约1-4%的基因组来自地下水环境。这种数据缺乏严重限制了对地下水生态系统的全面理解，使得地下微生物世界成为微生物学研究的“冰山一角”。

北京大学深圳研究生院环境与能源学院生态环境与资源效率研究实验室倪晋仁课题组在中国七大地质环境分区的600多口监测井中采样，经过多年系统的检测和统计分析，建立了首个全球地下水微生物基因组目录。这个被称为GWMC的目录，包含34,993个宏基因组组装基因组，跨越167个门类（包括4个全新的候选门类），其中超过74%的地下水微生物基因组无法与已知物种匹配。这些发现使地下水从一个被忽视的栖息地转变为新微生物发现和功能创新的核心领域之一，将公开可得的地下水基因组数量增加了282%。

研究发现，基因组大小与微生物的生存策略密切相关。较小的基因组主要富集于防御功能和氧化还原调节机制，这可能是对地下水环境中有限资源和潜在竞争压力的适应。而较大的基因组则表现出更广泛的生物合成潜力，包括更多样化的代谢途径和次生代谢产物合成能力，这为生物技术应用提供了丰富的基因资源。

全球地下水微生物基因组目录不仅扩展了已知的微生物多样性，还揭示了丰富的新基因资源。目录中发现了大量新型的CRISPR-Cas系统，这些基因编辑工具在分子防御和适应性免疫中起关键作用，可能为基因编辑技术提供新的工具资源。另一个重要发现是，地下水中丰富的生物合成基因簇，这些基因簇编码了多种次生代谢产物的合成途径，有望成为新型抗生素、抗肿瘤药物和其他生物活性化合物的来源。

尤其值得注意的是，研究确认地下水是硒蛋白富集的关键生境。硒蛋白是含有稀有元素硒的特殊蛋白质，在抗氧化和氧化还原调节中发挥重要作用。

未来，如果能够突破微生物培养的技术瓶颈，将地下的“基因蓝图”转化为实验室中可研究的活体微生物，可能会有更多意想不到的发现。

该项研究得到了国家自然科学基金项目（No. U2240205、No. 51721006和No. 92047303）的资助。研究成果以“Expanded global groundwater microbial diversity reveals bioprospecting potential”为题，于2025年12月21日在线发表于Cell Reports。北京大学倪晋仁教授为论文通讯作者，北京大学深圳研究生院环境与能源学院南燕特聘副研究员邓春芳为论文第一作者。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.celrep.2025.116760