福建农林周顺桂团队联合西班牙Manuel D. B教授、生态中心朱永官院士Nat. Commun.：噬菌体加速全球耐药基因传播

为了评估前噬菌体携带 ARGs 的情况，使用 RGI 工具针对全部噬菌体元件进行 ARG 注释 (n=26858) ，共鉴定出 11543 个 ARG ，对应 42 类抗生素药物。去除重复基因后，在所有前噬菌体中检测到 397 种非冗余 ARG 亚型。分析了前噬菌体编码 ARGs (pARGs) 在不同环境中的分布特征。有趣的是，大多数 pARGs 来自 HH 栖息地，包括人类肠道 (n= 6071) 、家畜 (n= 2335) 和加工食品 (n=577 ，图 2a) 。为了比较不同环境 pARG 含量的变化，比较单个细菌基因组携带 pARG 情况，发现细菌基因组的 pARG 含量与不同栖息地的 pARG 含量一致 ( 图 2a) 。这结果表明，与细菌基因组相比，这些环境经历了前噬菌体携带 ARGs 的富集。此外，研究发现 HH 中溶原菌中 pARGs 的平均含量是 LH 栖息地的 5 倍以上 ( 图 2b-c) 。具体而言， HH 栖息地中只检测到 248 个 pARGs ，而 LH 栖息地检测到 63 个 pARGs ，而 HH 和 LH 栖息地之间共有 110 个 pARGs( 图 2d) 。在 HH 和 LH 栖息地中，细菌中 pARGs 和噬菌体的平均数量之间存在显著相关性 (R=0.92, p<0.0001) ，表明大多数前噬菌体携带 ARGs 。

对 IMG/VR 数据库中所有裂性病毒基因组 (n = 627,970) 进行 ARG 注释。前噬菌体携带 ARGs 的量比裂性病毒高出 1000 倍以上。这些结果表明， ARGs 在前噬菌体中大量富集，而在全球受抗生素影响的环境中更为常见。

图 2 | 噬菌体编码的 ARGs 在全球不同环境中分布特征。

1. 4. 高抗生素暴露促进了 ARGs 在栖息地和细菌类群间移动

为了追踪噬菌体及其 ARGs 在不同栖息地和细菌宿主之间的移动情况，分析了细菌和噬菌体基因组中 CRISPR-Spacer ，确定了 460 个 pARGs 存在跨属传播的证据，其中 32 个具有跨细菌门传播的可能 ( 图 3a) 。 497 个 pARGs( 分布在 229 个前噬菌体中 ) 具有种间传播潜力。在预测的前噬菌体宿主中， 62.8% 来自 HH 栖息地，只有 16.3% 来自 LH 栖息地 ( 图 3b) 。比较来自不同栖息地的噬菌体 - 宿主对，以获得 ARG 潜在的传播范围。在 HH 环境中具有种间传播潜力的前噬菌体占 62.3% ，而 LH 栖息地的只有 23.1% ( 图 3c) 。

为了追踪噬菌体及其 ARGs 在不同栖息地和细菌宿主之间的移动情况，分析了细菌和噬菌体基因组中 CRISPR-Spacer ，确定了 460 个 pARGs 存在跨属传播的证据，其中 32 个具有跨细菌门传播的可能 ( 图 3a) 。 497 个 pARGs( 分布在 229 个前噬菌体中 ) 具有种间传播潜力。在预测的前噬菌体宿主中， 62.8% 来自 HH 栖息地，只有 16.3% 来自 LH 栖息地 ( 图 3b) 。比较来自不同栖息地的噬菌体 - 宿主对，以获得 ARG 潜在的传播范围。在 HH 环境中具有种间传播潜力的前噬菌体占 62.3% ，而 LH 栖息地的只有 23.1% ( 图 3c) 。

图 3 | 人类活动促进了 ARGs 在栖息地和分类群之间的移动。

1. 5. 来自 HH 的 pARGs 比来自 LH 的在全球分布更丰广泛

为了克服细菌基因组收集中可能存在的偏差，分析了来自相同环境 1432 个宏基因组 ( 每个栖息地至少 100 个宏基因组 : 人类肠道、家畜、加工食品、野生动物、昆虫、植物、淡水、海水、土壤和沉积物 ) 。 95.1% 的 pARGs 可以在全球宏基因组中检测到，尽管这些 pARGs 的检测频率在不同的栖息地类型之间差异更大。在 HH 和 LH 宏基因组环境中， pARGs 在丰度 (p<0.001) 和组成 (R ² =0.042, p=0.001) 上具有明显不同的模式 ( 图 4b-c) 。总体而言，来自 HH 宏基因组的 pARGs 丰度明显高于 LH 宏基因组 (p<0.001) 。这表明，与 LH 环境比较， HH 环境的 pARGs 已经在全球范围内扩散。特别是，在东南亚、东澳大利亚、北非和东南部非洲、西欧和北美中西部等人口密集地区， HH 环境中 pARGs 富集明显 ( 图 4c) ，表明它们与人类活动有关。为了进一步探讨人类活动对 pARGs 传播潜力的影响，我们比较了 HH 和 LH 中 pARGs 的传播风险。人类活性显著影响了 pARGs 的全球传播风险。总之，来自 HH 栖息地的前噬菌体的传播风险高于 LH 栖息地。因此，与 LH 环境相比，人类活动影响的环境 pARGs 流行率和传播风险更高。

基于 25,858 对噬菌体 - 宿主对，研究了人类活动对噬菌体与其宿主关系的影响。 HH 和 LH 宏基因组之间的噬菌体丰度明显分开 ( 图 4d) 。总体而言，在 HH 和 LH 环境中，特异性病毒 - 宿主比率存在显著差异 ( 学生检验， p<0.0001)( 图 4e) ，暗示抗生素暴露可能会改变群落水平上的噬菌体 - 宿主关系，这可能会提高宿主的存活率。非同义多态性 (pN) 率与同义多态性 (pS) 率的比值，分析 pARGs 进化的选择力动力。虽然大多数 pARGs 的 pN/pS 比小于 1 ，但 HH 栖息地中 pARGs 的 pN/pS 比显著高于 LH 栖息地。这表明 pARGs 在人类影响下积累了更多的非同义突变， HH 栖息地中 pARGs 进化的多样化特征。

图 4 | 基于宏基因组学分析 pARG 在全球不同环境中的分布特征。

为了探索 pARG 是否具有潜在的活性，将所有 pARG 序列与 1186 个宏转录组进行了比对分析，发现 76% 的 pARGs 具有转录活性。具体而言，与 LH 环境的 pARGs 相比， HH 栖息地的 pARGs 具有更高的检测频率和转录活性。这种高活性模式在东亚、中欧、北美中东部等潜在人类活动频繁的地区尤为明显 ( 图 5) 。为了实验验证 pARGs 对宿主耐药性的影响，选择了 41 株基因组测序菌株 ( 跨越 4 门 32 属 ) ，使用丝裂霉素诱导前噬菌体。研究发现， 35% 的前噬菌体可以被诱导，这表明前噬菌体具有产生病毒粒子和再次感染其他宿主的潜力。诱导的噬菌体粒子进一步通过扫描电镜得到证实 ( 图 S15) 。此外，在 6 个不同类型的 pARGs ，检测它们在质粒中克隆表达是否导致大肠杆菌 DH5 α产生抗生素抗性。与空白对照治疗相比，三种 pARGs 显著增加了大肠杆菌对链霉素 (aadA2) 、氯霉素 (catII) 和甲氧苄啶 (dfrC) 的耐受能力。以上结果表明， pARGs 具有赋予宿主细菌的抗生素抗性的能力。

图 5 | 基于宏转录组揭示 pARG 在全球不同地区的转录活性

‘’

本研究通过全球大数据揭示了噬菌体在抗生素耐药基因传播中的关键作用。首次揭示了噬菌体作为 ARGs 的一个重要储存库，人类活动在其环境传播中发挥着关键作用。与自然环境比，在高抗生素暴露风险的人类影响环境中，噬菌体携带的 ARGs 不仅更加丰富，而且转录活性更高。人类活动促进了噬菌体携带 ARGs 的现象，并增强了 ARGs 在全球范围内的流动性，对于理解 ARGs 的全球分布及其在不同环境间的传播路径至关重要，为控制 ARGs 的传播提供了理论依据和技术支持。

‘’

作者简介

往期推荐