微生物组在宿主生理机制的重要性促进了微观和宏观生物学世界的奇妙融合。因此，共生总体生物学（holobiont biology）这一多学科框架应运而生，它整合了基因组和功能变异模式，凸显了微生物在生物圈中的核心地位，以及广泛应用于从农业生产、保护生物学到人类疾病中的微生物组解决方案的科学机理。共生总体（holobiont，宿主和相关微生物细胞的集合）和共生总基因组（hologenome，共生总体中的所有多物种遗传物质）这两个术语对这一概念的转变非常重要，因为它们将微生物共生整合到了宏观生物体的结构、功能和进化中。因此，宿主生物被定义为包含其他生物（病毒、细菌、原生动物和真菌）及其基因组。这些宿主-微生物关联的功能相关性各不相同，有的无关紧要，有的有害，有的必不可少，这取决于共生总体的生物系统中各成员的互作环境。
宿主自主性的传统观点在许多情况下会使全基因组关联研究只能解释少数性状变异，尤其是行为或慢性疾病等复杂表型。这被称为 “遗传性缺失问题（missing heritability problem）”，其源于这一前提：宿主基因型或垂直传播（亲代到子代）的共生体（symbionts）严格编码了大多数表型。然而，在许多系统中，共生总基因组比单独的宿主或微生物基因组更能解释一些性状的变异，这些性状包括人类体重指数、高密度脂蛋白胆固醇、空腹血糖、臀围和结肠癌的患病概率。微生物基因组和分类不仅有助于更全面地了解宿主的表型变异，还直接导致了部分宿主基因组变异。例如，丛生禾草与不同微生物接触会改变宿主中决定叶面积和根长的数量性状位点的个数。此外，实验研究、人工智能模型和生物统计学都展示了微生物组是如何支撑各种功能的生理和遗传基础的，例如蝾螈皮肤微生物产生的适应性毒物可以对抗捕食，实验中黄蜂从肠道微生物组的代谢活动中进化出的杀虫剂抗性，以及植物杂交活力对微生物组的依赖性。
这些不同的观察结果凸显了从共生总基因组视角看待生命的重要性，这种生命观既不强调宿主基因组也不强调微生物基因组对特定性状的影响。幸运的是，传统的宿主生物学研究有机会转向这一视角。例如，长读数、高性价比和高深度的 DNA 测序技术可产生共生总体所有成员的完整基因组，这有助于解释共生总基因组中的单核苷酸、可移动基因元件（MGEs）和结构变异如何影响共生总体内部和之间的性状变异。此外，对宿主不同结构区室内微生物组的时空动态研究将阐明微生物在共生总体中的作用及其适应性。此外，构建将定量遗传学（quantitative genetics）转化为 “定量全息组学（quantitative hologenomics）”的统计分析软件，将有助于对引起共生总体表型变异的微生物和宿主的变化的理解（见下图）。深度定量全息组学最初可应用于简单的模式系统（如黑腹果蝇），但随着测序和组装方法的进步，它应能解决复杂的共生总体问题，如寄生着数千个不同微生物系的多倍体植物。
图：定量全息组学分析
通过采用定量全息基因组学方法，很快就有新的方式能定期处理共生总体的全基因组信息，以确定共同控制表型变异的宿主和微生物基因的数量和类型、以及微生物类别。这种一体化的全息基因组方法不仅能确定共生总基因组中特定的宿主和微生物效应，还能确定导致性状变异的基因组间效应和上位性效应（epistatic effects）。
因此，共生总体生物学有望提高达尔文在《物种起源》一书中称之为 “奥秘中的奥秘 ”的解释深度：即一个基因系或一个生物体如何进化成两个基因系或两个生物体。宿主及其微生物组通常以不同程度的特异性集聚，它们之间的相互作用可能会形成种系分裂和新的共生总体生物多样性的起源。例如，陆生或水生栖息地的动物和植物共生总体经常蕴藏着多样化的微生物群落，这些群落的组合与宿主的系统发育关系一致，这种模式被称为 “系统共生（phylosymbiosis）”，在这种模式中，亲缘关系近的宿主比亲缘关系远的宿主拥有更相似的微生物群落。系统共生产生的部分原因可能是自然选择、中性力（neutral forces）和环境条件，这些因素在进化时间尺度上形成了共生总体的多样化。此外，相关宿主间微生物组的变异可通过让共生总体的基因型利用新的生态资源，或通过直接产生减少异种交配的杂交不育和不可存活，从而造成种系间的生殖隔离。
因此，新的共生总基因组数据库不断涌现，其中将微生物和宿主序列编目在一起，以准确反映驱动形态和功能的共生总基因组变异。例如，“地球全基因组计划”（Earth Hologenome Initiative）（https://www.earthhologenome.org）旨在实现全球野生动物共生总基因组数据的标准化，而 “果蝇的时空进化计划”（Drosophila Evolution over Space and Time）（https://dest.bio）则是最大的黑腹果蝇共生总体全基因组数据储存库，包含了来自20个国家和四大洲的数百个种群样本。塔拉海洋探险队（Tara Oceans）在其第二次探险中对大量浮游海洋共生体和多细胞（珊瑚礁）共生体进行了基因测序。这些数据库对于定量研究非常有用，能够解答一些问题，例如种群瓶颈如何降低共生总基因组多样性和共生总体适应性，或珊瑚共生总体在人类世（Anthropocene）气候变暖强烈选择效应下的生存状况。此外，人类微生物组多样性的培养、分类和测序工作也在进行，包括微生物组保护组织（Microbiome Conservancy）和微生物库（Microbiota Vault）。
“共生总体”概念在科学文献、研究中心、公众媒体、科学艺术创作以及关于进化学、医学和哲学的课堂讲座中变得越来越显著。涵盖了基础和应用方面的内容的国际共生总体与共生总体全基因组会议和研讨会，也在私人基金会和政府机构的支持下蓬勃发展。然而，仍有待改变的是高中和大学课程，这些课程通常将发育学、解剖学、细胞生物学和进化学与微生物学割裂开来。如果能打破这种学科壁垒，建立一个从共生总体出发的视角，将会对教育、公众推广和学生研究产生深远的变革。课程内容可以强调微生物多样性在生命树中的深度，内共生对细胞器进化的重要性，以及微生物群落与共生总体生物学的相关性。
对这些自然界中无可争议的实体进行分类和操控不仅仅是学术研究的问题；它们对于应对21世纪的紧迫挑战至关重要，包括保护生物学、人类活动引起的干扰、可持续的食品和饲料生产、新疗法的开发以及微生物环境的恢复。随着对微生物群落能够增强宿主功能的认识，新的方法正在通过选择和工程化对宿主适应性具有特定影响的微生物群落来改善动植物的适应性，例如使植物能够吸收先前无法吸收的矿物质和养分，从而促进可持续的食品和饲料生产。
融合陆地和水域环境的共生世界的复杂性，共生总体（holobionts）和共生总基因组（hologenomes）为生物学的层级组织结构增添了一个新的维度。就像宿主的身体被视为其自身相互作用的细胞（这些细胞共同形成具有特殊功能的解剖结构）的动态组合，共生总体生物学也承认宿主与微生物细胞的相互作用和/或相互依存所构成的动态组合。这一术语和概念不仅仅是语义上的升级；它们促使我们对传统的生物学组织和过程进行批判性思考，并提出新的问题。
认识到生命的共生特性以及微观和宏观生物学的相互联系，有利于挖掘科学中多元视角的价值！
