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美格基因 | 多组学研究成果植物多样性竟是耐药基因的“克星”？最新研究揭秘！

发布时间：

2025-05-23

本研究通过盆栽试验，全面研究了植物种类和多样性对3种农业土壤ARGs和MGEs的影响。结果表明，植物多样性的增加使ARGs和MGEs丰度降低了19.2%-51.2%，而植物物种表现出不一致的土壤依赖效应。

Plant Diversity Reduces the Risk of Antibiotic Resistance Genes in Agroecosystems

植物多样性降低农业生态系统中抗生素抗性基因的风险

英文标题：Plant Diversity Reduces the Risk of Antibiotic Resistance Genes in Agroecosystems

中文标题：植物多样性降低农业生态系统中抗生素抗性基因的风险

作者：Shu Li等

期刊：Advanced Science

发表时间：2025.01.28

组学：抗生素抗性基因芯片（384P)、16S、代谢组、宏基因组

样品类型：土壤

文章链接：https://doi.org/10.1002/advs.202410990

摘要

尽管在抗生素抗性基因（Antibiotic Resistance Genes, ARGs）的传播机制和风险评估方面取得了进展，但植物如何影响农业土壤中ARG污染仍未得到充分探讨。通过盆栽试验，全面研究了植物种类和多样性对3种农业土壤ARGs和移动遗传元件（Mobile Genetic Elements, MGEs）的影响。结果表明，植物多样性的增加使ARGs和MGEs丰度降低了19.2%-51.2%，而植物物种表现出不一致的土壤依赖效应。含有丰富ARGs的潜在细菌宿主的相对丰度高于非宿主，它们的丰富度和累积相对丰度都受到植物多样性的降低。值得注意的是,受植物多样性抑制的寄主比其他寄主表现出更高的相对丰度。由于植物多样性，根分泌物中富集的化合物在代谢网络中发挥着更重要的作用，有助于重新平衡潜在寄主和非寄主的丰度。一项使用纯有机物的独立测试表明，由于植物多样性的增加，资源多样性的提高降低了丰富和高风险ARGs的相对丰度和流动性。该研究强调了资源介导的ARGs污染风险缓解，并表明确保植物和资源多样性是控制农业生态系统中ARGs的一种有希望的策略。

引言

1.1 研究背景与问题提出

抗生素的发现被誉为20世纪最重要的医学突破之一，但其过度使用导致抗生素抗性基因（Antibiotic Resistance Genes, ARGs）和抗生素抗性细菌（Antibiotic-Resistant Bacteria, ARB）在环境中广泛传播。农业生态系统因长期施用含抗生素的畜禽粪便和污泥，成为ARGs的重要储存库。ARGs通过水平基因转移（Horizontal Gene Transfer, HGT）扩散至病原菌，形成“超级细菌”，威胁人类健康。据世界银行预测，若不采取行动，到2050年抗生素耐药性每年可能导致超1000万人死亡，经济损失超100万亿美元。

尽管已有研究关注ARGs的传播机制和风险评估，但植物如何影响农业土壤中ARGs的分布仍不明确。植物通过根系分泌物塑造根际微生物群落，而微生物竞争与资源分配可能调控ARG宿主的竞争优势。基于此，本研究提出核心问题：植物多样性是否通过调节土壤微生物资源分配，抑制ARG宿主细菌的竞争优势，从而降低ARGs的丰度？

1.2 研究方法与实验设计

研究采用盆栽实验与独立验证实验相结合的方法，系统分析植物多样性对ARGs的影响：

（1）盆栽实验：

土壤类型：选取三种长期施用有机肥的农业土壤——黑土（BS）、潮土（FS）、红壤（RS）。

植物处理：

单一种植：包括生菜、番茄、大蒜、苜蓿、芹菜和辣椒6种作物；
多样性梯度：随机组合3种或4种植物（大蒜、苜蓿、芹菜、辣椒），形成10种种植模式。

分析指标：

土壤理化性质：电导率（EC）、pH、NH₄⁺-N、NO₃^--N、AP、AK、TOC、TN
ARGs和MGEs的丰度（高通量qPCR芯片）；
土壤微生物群落结构（16S rRNA测序）；
根系分泌物组成（超高效液相色谱-质谱联用技术）；
ARGs注释及评估（宏基因组）。

（2）独立验证实验

向ARG污染的土壤中添加不同多样性的纯碳水化合物（1种、3种、6种），验证资源多样性对ARGs的影响。

主要结果

2.1 植物多样性和物种对抗生素抗性基因（ARGs）丰度的影响

图1. 土壤中不同植物栽培的抗生素抗性基因（ARGs）和移动遗传元件（MGEs）的丰度

通过在黑土（BS）、冲积土壤（FS）和红壤（RS）中种植不同植物七个月，利用高通量qPCR技术分析了抗生素抗性基因（ARGs）和移动遗传元件（MGEs）的分布特征。结果表明，初始土壤中ARGs以氨基糖苷类、四环素类和广谱抗生素类为主，三种土壤的ARGs总丰度相近，但BS和RS中MGEs丰度显著高于FS，且FS的有机碳、氮含量较低但微生物多样性更高。种植期结束后，植物多样性与ARGs/MGEs丰度呈显著负相关（p<0.001），高植物多样性处理下BS、FS和RS中的ARGs和MGEs累积丰度分别降低51.2%、19.2%和19.3%。双因素方差分析显示植物多样性对ARGs和MGEs丰度具有显著影响，其中BS和RS的响应更明显。不同植物物种的影响存在差异：芹菜、生菜和大蒜导致ARGs和MGEs丰度最高，而紫花苜蓿和番茄处理最低。此外，植物多样性对群落组成的调控作用（BS和RS：p<0.01；FS：p>0.05）及植物物种效应（均p<0.05）均呈现土壤特异性，表明植物-土壤互作对抗性基因传播具有重要调控作用。

2.2 植物多样性和物种对细菌群落的影响

图2. 潜在宿主为18 种丰富的抗生素抗性基因（ARGs）和移动遗传元件（MGEs），以及它们与植物多样性的关系

通过分析OTU丰度与抗生素抗性基因（ARGs）及移动遗传元件（MGEs）丰度的相关性，揭示了植物多样性对潜在宿主的调控机制。在三种土壤（BS、FS、RS）中，潜在宿主主要属于厚壁菌门、变形菌门（BS）及拟杆菌门、变形菌门（FS和RS），且这些宿主多具动植物致病性。潜在宿主的相对丰度显著高于非宿主（p<0.001），表明其具有竞争优势；但随着植物多样性增加，潜在宿主的丰富度和累积丰度均显著下降（p<0.05），而非宿主独特OTU数量增加。进一步分析显示，60.14%（BS）、39.67%（FS）和27.27%（RS）的潜在宿主相对丰度与植物多样性呈负相关，且BS和RS中负相关组的平均相对丰度高于其他组。此外，潜在宿主中ARGs和MGEs数量呈正相关，表明高植物多样性可能通过抑制丰度更高、携带更多抗性基因的宿主来降低生态风险。植物多样性对细菌群落的影响因土壤类型和宿主特性而异，其中对BS潜在宿主细菌群的影响最强（R²=0.29）。微生物网络分析显示，植物多样性增加促进了群落间关联强度（总边数和负边比例）。研究还发现，植物物种显著影响总细菌群、潜在宿主和非宿主细菌群的结构与组成（p<0.001），且潜在宿主生物标志物多受植物多样性抑制，而非宿主生物标志物则被促进。这些结果表明，植物多样性通过调控宿主-非宿主细菌群落动态及微生物互作网络，有效抑制了ARGs和MGEs的传播。

2.3 植物多样性和物种对根分泌物的影响

图3. 根分泌物随植物多样性增加的变化

结果显示，根渗出液的香农多样性在所有土壤中均与植物多样性呈显著正相关（p < 0.01），且种植模式（反映植物多样性和物种差异）及土壤类型显著影响根渗出液谱型，分别解释了68.33%和9.44%的变异。植物多样性对根渗出液组成具有显著调控作用（p < 0.001），贡献率达10.88%。在检测到的4227种化合物中，43.48%随植物多样性增加而富集，9.87%则显著减少。网络分析表明，富集化合物的连通性显著高于耗竭或未受影响的化合物（p < 0.001），凸显其代谢关键性；190种分类明确的化合物中，除有机酸和肽类外，其余类别富集比例均高于耗竭。尽管各分类化合物的累积峰面积随植物多样性增加呈下降趋势，但植物物种本身亦显著影响根渗出液的多样性、结构及组成（p < 0.05），揭示了植物多样性通过调控根系分泌物化学异质性进而影响地下生态过程的潜在机制。

2.4 植物多样性、根系分泌物、潜在宿主、抗生素抗性基因（ARGs）和移动遗传元件（MGEs）之间的联系

为了进一步阐明植物多样性如何通过调节根分泌物来减少潜在宿主和抗生素耐药基因（ARGs）及移动遗传元件（MGEs）的丰度，我们分析了潜在宿主与受植物多样性显著影响的化合物之间的关系。结果显示，在 BS、FS和RS中观察到的58.26%、89.42%和98.52%的关系分别为负相关。应用偏最小二乘结构方程模型揭示了植物多样性减少ARGs和MGEs丰度的因果途径。具体而言，根分泌物中富集的化合物刺激非宿主，抑制潜在宿主，导致ARGs和MGEs丰度下降。这些发现表明，植物多样性通过富集特定化合物和增加根分泌物化学多样性，在非宿主与潜在宿主之间的竞争优势中发挥调节作用。

图4. 植物多样性、根系分泌物、潜在宿主、抗生素抗性基因（ARGs）和移动遗传元件（MGEs）之间的联系

2.5 独立验证测试中资源多样性对ARG 丰度的影响

图5. 抗生素耐药基因（ARGs）对独立验证测试中资源多样性的响应

通过向受抗生素抗性基因（ARGs）污染的土壤中引入不同多样性水平的纯有机物质，验证了资源多样性增加可降低ARG丰度的假设。宏基因组测序检测到2203个ARGs，其组成显著受资源多样性影响（p<0.05），且随着资源多样性的提升，ARG累积相对丰度显著下降（p<0.01）。与单一资源处理相比，包含六种资源的高多样性处理使ARG丰度降低3.55%，其中7.31%的ARGs与资源多样性呈负相关，4.36%呈正相关，表明资源多样性对ARG丰度的抑制作用强于单一资源。此外，资源多样性显著改变了微生物群落结构（p<0.05，PERMANOVA），并导致负性ARGs的相对丰度显著高于正性和非显著ARGs（p<0.001）。按耐药机制分类，抗生素外排、失活及靶点保护相关的ARGs均随资源多样性增加而减少（p<0.05），尽管β-内酰胺酶类无显著差异；在六资源处理中，高风险ARG如氨基糖苷类、多药耐药和四环素类的相对丰度分别下降6.30%、4.32%和5.49%，进一步证实资源多样性通过调控微生物群落和功能基因表达有效抑制了ARGs的传播与富集。

图6. 资源多样性对抗生素耐药基因（ARGs）及其致病宿主在独立验证测试中的移动性影响

ARGs的移动性和宿主的致病性得到了进一步研究。在类群水平上，Alphaproteobacteria（79.90%）和 Gammaproteobacteria（18.06%）是致病宿主中两种主要的细菌类群。大多数与 ARGs 共存的MGEs 属于转移（61.19%）和复制/重组/修复（36.67%）类别。尽管检测到多种 MGEs，但只有469个携带ARGs的contigs携带MGEs。随着资源多样性的增加，MGEs和携带高风险ARG-MGE的contigs的累积相对丰度显著降低。此外，我们还研究了携带ARGs和MGEs的致病细菌，并发现那些对人类构成高风险的细菌的相对丰度也受到资源多样性增加的抑制。

结论

本研究揭示了植物多样性通过提升资源多样性显著降低农业土壤中抗生素抗性基因（ARGs）丰度的机制。研究发现，农业生态系统因植物多样性低于自然生态系统，导致携带ARGs的耐药微生物（ARB）占据竞争优势，进而使ARGs丰度升高。植物多样性增加通过营养生态位分区调节ARGs潜在宿主（耐药菌）与非宿主微生物的竞争关系，其根系分泌物中因多样性提升而富集的高连通性化合物，选择性刺激弱势非宿主细菌生长，抑制宿主扩张。实验表明，资源多样性增加显著降低了多重耐药性和抗生素外排等高风险ARG类别，并通过减少携带ARG-移动遗传元件（MGE）的连续体及其致病宿主，缓解了ARGs的传播风险。尽管盆栽实验（基于三种土壤）验证了上述机制，但研究也指出其在田间复杂环境中的适用性仍需进一步验证，未来需结合野外试验深化对资源调控ARB竞争及ARG迁移规律的理解。总体而言，该研究提出通过增加植物多样性调控微生物群落结构、削弱ARG宿主优势的生态策略，为农业生态系统中ARG污染治理提供了兼具可行性和公共卫生意义的解决方案。

图7. 概念模型展示了植物多样性调节抗生素抗性基因（ARG）宿主与非宿主之间的竞争优势