微生物携带的抗生素抗性基因（ARGs）是一种新型的环境污染物，其在环境中的迁移和传播，可能引发耐药病原菌的产生，已成为全球最为严重的公众卫生问题之一。土壤，作为地球上最大的微生物多样性储存库之一，也是ARGs的热点区域。在农业土壤中，由于畜禽养殖业中抗生素和部分重（类）金属制剂的过度使用，粪肥中通常残留大量的重（类）金属、抗生素，其作为有机肥施用到土壤中，引入了残留的抗生素、重（类）金属等污染物，增加了土壤中抗生素抗性基因（ARGs）和重（类）金属抗性基因（MRGs），促进了ARGs和MRGs的共存及传播，严重威胁农业生态系统健康。前期研究基于ARGs和MRGs丰度之间的相关性，表明ARGs和MRGs可能共存于有机肥施用的农业土壤，但尚缺乏其共存于同一遗传元件的证据。
华东师范大学生态与环境科学学院张思宇研究员团队与国际同行合作者，对全球尺度的农业土壤宏基因组进行分析，在以往基于ARGs和MRGs丰度相关性的基础上，进一步提出对ARG-MRG共存contig分析的方法，揭示有机肥施用增加了土壤中ARG-MRG的共存类型，为有机肥施用促进土壤微生物组ARGs和MRGs共选择提供了直接证据（图1）。研究同时指出，农业土壤中携带ARG-MRG共抗性基因的土壤微生物组，通常也携带更高占比的可移动遗传原件基因（MGEs）和决定微生物致病性的毒力基因（VFGs），揭示这类抗生素和重（类）金属共抗性微生物具备更高的可迁移性和致病性风险，进而促进ARGs在农业生态系统的传播，对农业生态系统造成潜在生态健康风险。
图1.农业土壤微生物组中ARG-MRG共存的丰度和类型
该研究基于中国农业土壤进行调查研究，并结合宏基因组和宏转录组分析，结果表明共存于同一遗传原件的ARGs和MRGs在重（类）金属胁迫压力下，同时表现出更高的转录组活性（图2），证实了土壤中重（类）金属胁迫（以砷为代表）促进了土壤中ARG-MRG的共表达。
图2.农业土壤微生物组中共存的ARG-MRG亚型及转录活性
研究团队应用机器学习模型，预测了全球尺度上农业土壤中ARG-MRG共抗性微生物的丰度，揭示其在北美洲中部、欧洲东部、亚洲西部和中国东北部地区的土壤中存在较高的污染风险（图3）。该研究为探究生态系统中抗生素和重（类）金属共抗性微生物提供了新的研究思路，并证实了农业土壤微生物组中ARGs和MRGs共存于同一遗传原件，且具备更强的可迁移性和致病性潜力，提出应关注农业土壤有机肥施用带来的潜在生态健康风险。
图3.机器学习流程及农田土壤ARG-MRG共抗性微生物丰度的全球分布图
研究于2024年6月17日在Nature Communications杂志在线发表，题为“Organic fertilization co-selects genetically linked antibiotic and metal(loid) resistance genes in global soil microbiome”。华东师范大学生态与环境科学学院博士研究生刘子腾，马锐骜分别为本研究的第一作者和第二作者，张思宇研究员为通讯作者，华东师范大学为论文第一完成单位。合作者包括中国科学院城市环境研究所朱冬研究员、美国佐治亚理工学院Konstantinos T. Konstantinidis教授、中国科学院生态环境研究中心/中国科学院城市环境研究所朱永官院士。本研究得到了国家自然科学基金的资助。
附：
论文链接：
关闭窗口