随着DNA测序技术的发展，人们对肠道菌群的物种组成及其变化可以进行较为直接的研究。但目前仍然缺乏能够直观获取各类细菌在肠道内生物活动信息的研究方法，因此对一些关键的科学问题无法进行深入研究，例如外源细菌在肠道内的成活和定植情况，各类细菌、尤其是体外难培养细菌如何进行生长和分裂，细菌在肠道内的生长代谢活性如何受内外源因素的影响等。在本次报告中将介绍我们通过化学生物学的分子探针工具在活体中进行肠道菌群代谢标记开展的如下几项研究：（1）植入菌群体内成活分析的新方法；（2）不可培养肠道细菌的在体生长分裂模式研究；（3）肠道细菌在体代谢活性的直接定量新方法开发；（4）选择性细菌亚群标记探针的开发。这一系列新的化学探针工具与研究策略，不仅拓展了化学生物学的研究领域，也将为真正揭示菌群在肠道内的复杂微生物活动提供有力的帮助。

肠道是众多微生物群落的天然寄居场所，这些肠道微生物对机体的免疫和代谢功能起着非常重要的作用，但同时它们对人体健康也是一个潜在的威胁。作为机体直接接触众多肠道微生物的第一道屏障，肠上皮细胞在营养物质吸收和代谢、抵御细菌入侵、维持肠道微生物稳态以及调控其它免疫细胞的成熟和分化的过程中起着至关重要的作用。然而，目前对肠上皮细胞是如何响应肠道微生物定植以及肠黏膜屏障如何抵御微生物感染的分子机制仍然知之甚少。我们最近的一项工作鉴定了一类新的肠道抗菌蛋白，并揭示其在稳态、病原菌感染和肠道寄生虫感染等多种条件下对小鼠肠黏膜抗菌屏障维持的重要作用。

大气中温室气体浓度的快速增长引发了全球气候普遍变暖。北极土壤碳库约为全球土壤碳库的50%，其增温幅度是全球平均增温速度的两倍，是气候变化研究的重中之重。而永久冻土的融化使古老病毒释放到环境中，产生环境健康风险。研究发现，由真菌和细菌共同影响的北极土壤呼吸特征迥异于全球其他地区。稳定性同位素标记实验证明Proteobacteria为主要的木质素降解菌，其在增温条件下上升了1-2个数量级，增温使激发效应提高了一倍，通过纳入功能微生物参数的模型模拟证实了土壤呼吸速率上升和土壤碳库快速损失。增温引发的永久冻土融化使表层和深层土壤微生物生物量和群落组成出现明显变化，增加了北极植物、哺乳动物、鸟类等的病毒感染风险。由于碳氮耦合，增温引发土壤氮限制，激发了深层土壤固氮菌丰度和多样性。绝大多数微生物功能基因对环境扰动高度敏感，可用于环境安全与健康监测。土壤碳通量与微生物功能种群强烈相关，因此对微生物功能种群的监测可很好地定量预测未来增温所引发的土壤碳排放。

深海热液区被认为是生命起源的摇篮，也是微生物多样性最为丰富的环境。我们研究发现海底热液区微生物生态系统的演替主要受到能量来源的转换所控制，在典型的热液硫化物烟囱体从初始形成到完全熄灭的过程中，栖息在其中的微生物群落由“热液主控型”演变成“矿物主控型”。首次在超嗜热古菌中报道了超高的无偏突变速率，比所有已知独立生存的原核生物高1-2个数量级，并发现基因组大小与突变率呈负相关，随着基因组减小，微生物从自然选择逐步转向随机漂变。成功从热液样品中分离了一株代表新门的嗜热嗜压细菌，发现与其它已知嗜热细菌门形成了一个嗜热超门。