胃肠道是机体消耗能量主要场所，胃肠道上皮细胞营养和微生物营养是保障胃肠道功能及结构正常的基础，消化道营养代谢是机体营养代谢的前提。为此我们提出“消化道营养”这一理念。“消化道营养”的核心是营养素-微生物-宿主互作。胃和小肠中的微生物数量相对较少，但是我们发现小肠微生物在营养素特别是蛋白质和氨基酸代谢方面起重要作用，小肠微生物与肠上皮细胞在氨基酸代谢中存在分工协作作用。瘘管猪研究表明，增加日粮肽含量，促进胃肠运动，提高小肠微生物碳水化合物代谢，进而促进小肠健康。通过瘘管猪靶向干预大肠微生物代谢研究表明，增加后肠碳水化合物含量，促进微生物碳水化合物代谢：通过胆汁酸代谢，促进后肠健康以及机体整体代谢；通过减少微生物对芳香族氨基酸代谢，提高芳香族氨基酸在大肠-血液-下丘脑循环浓度，促进下丘脑神经递质表达。这些研究表明肠道微生物组在消化道营养过程中起重要作用。

沙门氏菌作为重要的食源性致病菌，是导致食物中毒的重要因素。抗逆因子决定了沙门氏菌在外界逆境中的存活能力。通过基因组学、转录组学和蛋白质组学分析，揭示了沙门氏菌应对逆境（抗生素、消毒剂及蛋清基质）的作用机制。研究发现，blaCTX-M、fosA3、dsrA、hiuH、proX、yoaE和ybgC等基因是沙门氏菌应对上述逆境的重要抗逆因子。其中，blaCTX-M和fosA3分别是导致沙门氏菌对头孢菌素类和磷霉素类耐药性形成的重要因子；小RNA DsrA在沙门氏菌过氧化氢抗性中起到重要作用；hiuH和proX基因介导了沙门氏菌乙醇抗性的形成；ybgC和yoaE基因介导了沙门氏菌对蛋清逆境抗性的产生。ybgC基因通过影响细胞膜脂肪酸的组成、细胞膜的完整性来响应蛋清中的溶菌酶的胁迫；yoaE基因受CpxR蛋白直接正向调控并以此对抗蛋清抗菌肽和碱性pH的影响

菌群中细胞个体的精确身份（Who）及其原位代谢功能（What），是菌群功能调控的原理与基础，但“Who is doing What, Why”（3W）通常难以快速、原位、深入地探测。我们针对此共性瓶颈：（1）提出了拉曼组（Ramanome）和元拉曼组（Meta-ramanome）概念，证明其作为一种广谱适用、免标记、非侵入式的单细胞代谢表型组，可快速鉴别微生物种类，并测量细胞活性、底物代谢、大分子产物、环境应激、药敏等关键代谢功能；（2）开发了一系列单细胞拉曼分选（RACS）核心器件，包括pDEP-RADS、RAGE等，研制成功国内外首台“单细胞拉曼分选-测序耦合系统”（RACS-Seq）和“高通量流式拉曼分选仪”（FlowRACS），实现了菌群单细胞代谢快检、分选与测序的全流程仪器化；（3）基于上述原创仪器，提出了“单细胞代谢表型组-基因组”（(MP-G)n）概念，并针对人体、海洋、土壤等典型菌群，围绕临床感染用药、地球碳循环机制等应用，示范了3W问题的刻画与回答。(MP-G)n将作为一种全新的科学数据类型和大数据引擎，服务生命暗物质的快速探测和利用。

自然界的微生物群落具有丰富的多样性和复杂的空间结构。日益进步的测序技术能够精准解析微生物组的组成和功能，但是我们对微生物群落空间结构的理解仍然十分有限。空间微生物组学技术可以广泛应用于表征微生物组物种组成、基因表达、代谢产物的空间分布，对理解微生物群落的组装、不同微生物之间以及微生物与宿主之间的相互作用有重要的意义。以本课题组的研究为例，我将主要介绍荧光原位杂交技术在空间微生物组学中的应用，利用靶向微生物rRNA的探针，成像并表征不同样本中微生物的空间分布。然而，现有的方法受到荧光基团光谱重叠的限制，能同时表征的物种数量仍然有限。通过序贯荧光原位杂交方法和可纠错的编码方案，我们成功实现了对复杂微生物群落的空间标记，有效提高了可标记物种的数量和物种识别的准确率。