农田土壤中毒力因子和抗性基因的共现程度较高，但异质性较低

《Journal of Environmental Sciences》：High co-occurrence but low heterogeneity of virulence factors and resistance genes in farmland soil

农田土壤中致病因子（VFs）与抗生素/金属抗性基因（ARGs/MRGs）的共现机制及分布特征研究。全球22个地区及中国22个样本的宏基因组学分析表明VFs与抗性基因普遍共存于同一微生物细胞，显著增强病原菌致病力，对生态安全构成威胁。空间分布呈现低异质性。

　　在全球范围内，农田土壤作为微生物和病毒的重要储存地，其内部的致病因子（Virulence Factors, VFs）和抗性基因（包括抗生素抗性基因ARGs和金属抗性基因MRGs）正日益成为影响食品安全、土壤健康以及人类福祉的重要因素。随着抗生素和农药的过度使用，这些污染物在土壤中的扩散速度不断加快，给生态环境和人类健康带来了前所未有的挑战。研究显示，每年约有6亿人因食用受污染的食物而患病，导致约42万例死亡，并损失了3300万健康生命年（根据联合国统计部门2022年的数据）。这一现象凸显了对农田土壤中VFs和抗性基因共存及其潜在危害的深入研究的重要性。

VFs是细菌或病毒合成的分子，其编码存在于这些生物的基因组中。土壤作为天然的微生物储存库，不仅富含多样化的VFs，还可能成为这些因子在生态系统中传播的重要媒介。VFs通过协助微生物完成一系列关键的生物学活动，如附着、入侵、免疫逃逸、免疫抑制和营养吸收等，增强了其在宿主环境中的生存能力。同时，抗性基因作为新型污染物，也逐渐成为评估微生物污染风险的关键指标。其中，ARGs和MRGs分别赋予微生物对抗生素和金属的抗性，通常表现为药物耐受性。然而，抗生素的滥用已导致其效力显著下降，预计到2050年，抗生素耐药性感染将成为对人类健康最严重的威胁之一，甚至可能超越癌症的影响。

在土壤环境中，VFs和抗性基因的共存不仅加剧了微生物的致病能力，还对生态安全构成了严重威胁。当前的研究主要集中在抗性基因的特征及其对环境的影响上，而对VFs与抗性基因之间相互作用的关注相对较少。虽然已有部分研究指出，有机肥施用的农田土壤中，抗性基因可能与VFs共存，但关于这些因子如何影响微生物代谢机制以及它们在土壤中的具体传播路径，仍然缺乏深入的解释。因此，理解VFs和抗性基因的分布特征及其共存现象，对于评估土壤生态系统中的微生物风险至关重要。

本研究旨在通过土壤宏基因组学和宏基因组分箱分析，揭示全球范围内，特别是中国这一抗生素污染最严重的国家，农田土壤中VFs与ARGs/MRGs的相互作用机制。研究团队从中国及国外的22个不同地区采集了30个土壤样本，涵盖了五大洲，以确保研究结果的广泛适用性和代表性。通过比较宏基因组序列与VFDB数据库，研究人员发现了703种不同的VFs，这些因子覆盖了VFDB数据库中列出的所有14种功能类别。其中，与营养代谢和免疫调节相关的VFs占据了主导地位，分别占比24.43%和23.86%。这一发现表明，VFs在土壤生态系统中可能对宿主的健康产生深远影响。

此外，研究还揭示了VFs和抗性基因之间复杂的共存关系。通过统计分析，研究人员发现这些因子在土壤中的分布呈现出一定的共现模式。这种共现现象可能意味着微生物在适应环境压力的过程中，同时获得了多种生存优势，从而增加了其对生态系统和人类健康的潜在威胁。更进一步，宏基因组分箱分析提供了直接证据，表明在农田土壤中，VFs和抗性基因可能共存于同一微生物细胞内，显著增强了土壤微生物的致病能力，并提高了对生态安全的威胁程度。

研究团队还特别关注了VFs和抗性基因在表层土壤中的空间分布特征。结果显示，这些因子在土壤中的分布具有较低的异质性，说明它们在不同地理区域和土壤类型中的出现频率较为一致。这种一致性可能与全球范围内抗生素和农药的广泛使用有关，同时也反映了土壤微生物在适应环境压力时的普遍策略。然而，这种低异质性并不意味着风险可以被忽视，反而提示我们需要采取更全面的措施来应对这些潜在威胁。

本研究的成果为理解农田土壤中VFs和抗性基因的行为提供了新的视角。通过对全球不同地区土壤样本的系统分析，研究人员不仅揭示了这些因子的分布规律，还探索了它们在不同环境条件下的响应机制。这些发现有助于我们更全面地认识土壤生态系统中微生物的风险因素，并为改进农业实践、减少环境污染提供科学依据。此外，研究还强调了VFs和抗性基因共存的潜在危害，特别是它们在提高微生物致病能力方面的作用，这可能对土壤健康和人类健康产生深远影响。

在研究过程中，团队还特别关注了某些关键微生物在VFs和抗性基因传播中的作用。例如，研究发现Pseudomonas aeruginosa、Mycobacterium和Mycobacterium tuberculosis等微生物可能是VFs的主要载体，这些微生物在土壤中的存在可能对生态系统的稳定性构成威胁。因此，了解这些微生物的生态角色和传播路径，对于制定有效的防控措施具有重要意义。

综上所述，本研究不仅揭示了农田土壤中VFs和抗性基因的共存现象，还探讨了它们对生态环境和人类健康的具体影响。通过全球范围内的样本采集和分析，研究人员为评估土壤中的微生物风险提供了新的数据支持，并为未来的农业实践和环境治理提供了重要的科学依据。随着全球对环境和健康问题的关注不断加深，进一步研究VFs和抗性基因的相互作用机制，将有助于我们更好地理解和应对这些复杂的生态挑战。