中国陆地生态系统中抗生素抗性基因的宏基因组分析

《Ecotoxicology and Environmental Safety》：Metagenomic profiling of antibiotic resistance genes in terrestrial ecosystems across China

　　土壤抗生素耐药基因（ARGs）分布及传播机制研究：中国六大陆地生态系统调查显示，土壤中ARGs丰富且多样，以四环素和氨基糖苷类耐药基因为主，水平基因转移（HGT）是主要传播途径。尽管仅0.78%的ARGs属于高风险类群，但高HGT潜力及环境驱动因素提示需关注其跨生态系统传播风险。

　　土壤是抗生素抗性基因（ARGs）的重要储存库，然而其在不同陆地生态系统中的分布情况仍然不够明确。为了填补这一知识空白，我们在中国进行了大规模、跨区域的土壤调查，覆盖了4300公里的区域，共采集了6个不同陆地生态系统的42个样本点。研究发现，在这六种生态系统中，表层土壤（0–20厘米深度）中ARGs的多样性（18种ARG类型和129种ARG亚型）和丰度（平均值：724.9 [覆盖度，×/Gb]）均较高，其中四环素抗性基因和外排泵是主要的ARG类型和抗性机制。值得注意的是，只有aac (6′)-I这一基因属于高风险ARGs（Rank I），表明仅0.78%的检测到的ARGs对人类健康构成严重威胁。同时，水平基因转移（HGT）被认为是这些土壤中ARGs传播的主要机制。尽管大多数ARGs目前对公共卫生风险影响较小，但其高度的传播潜力值得引起关注。此外，随机过程在土壤ARGs的传播中占据主导地位，尽管随机和确定性过程都影响了它们的宿主传播。

研究指出，ARGs的传播和宿主关联可能受到多种因素的影响。其中，土壤的物理化学特性，如土壤有机碳（SOC）、总氮（TN）、碳氮比（C:N）、pH值和电导率（EC），以及植被指数（NDVI）和气候因素（如年均温度MAT和年均降水量MAP）在ARGs的分布中扮演了重要角色。此外，地理因素也对ARGs的传播产生了显著影响。通过使用距离衰减模型（DDR）和非度量多维尺度分析（NMDS）等方法，研究人员发现ARGs及其宿主在不同地区之间存在显著的地理分布差异，这种差异在很大程度上是由随机过程驱动的。然而，这些随机过程的强度和范围可能受到环境条件和生态系统的不同特征的影响。

进一步的研究还揭示了ARGs与移动遗传元件（MGEs）之间的紧密联系。MGEs，如转座酶、整合酶和重组酶，广泛存在于土壤中，并且与ARGs的传播密切相关。研究发现，ARGs的丰度和多样性与其宿主的丰富度之间存在显著的正相关关系，这表明MGEs可能在ARGs的传播中起到了关键作用。同时，研究还发现，不同地区的ARGs及其宿主存在显著的差异，这可能与当地的环境条件和生态特征有关。例如，沙漠地区（HC）的ARGs种类和数量显著高于其他地区，而森林-草原过渡带（FG）则在某些特定ARG类型和机制上表现出较高的丰度和多样性。

在讨论部分，研究强调了ARGs在不同生态系统中的普遍性和多样性。尽管全球范围内已发现数千种ARGs，但并非所有ARGs都对公共卫生构成威胁。研究发现，在所检测的129种ARG亚型中，仅有25种具有较高的相对丰度，而其中仅aac (6′)-I属于高风险ARGs（Rank I），这表明大多数ARGs对人类健康的影响相对较小。然而，这些ARGs的传播潜力依然值得警惕，特别是它们可能通过MGEs介导的水平基因转移（HGT）机制在不同生态系统之间扩散。此外，研究还指出，随机过程在ARGs的传播中起主导作用，而其宿主的传播则可能受到随机和确定性过程的共同影响。

研究结果不仅提供了关于土壤ARGs在不同陆地生态系统中分布模式的及时见解，还强调了需要进一步关注和研究这些基因的传播机制及其对公共卫生的潜在影响。通过结合多种生态学和统计学方法，研究揭示了ARGs与宿主之间的复杂关系，以及环境因素如何影响它们的传播。这些发现对于制定有效的ARGs管理策略和降低抗生素耐药性传播的风险具有重要意义。同时，研究还指出，未来需要更多地关注如何通过建立更全面的ARGs风险评估体系，结合环境因素和传播机制，以更准确地预测和应对ARGs对人类健康的潜在威胁。