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为探究抗菌毒素基因（ATGs）全球多样性和生物地理学的驱动因素，研究人员通过关联全球 10,000 个样本与超 200,000 个微生物基因组数据开展研究。结果发现全球微生物群落普遍编码复杂多样的 ATGs，且分布存在差异，还构建出 ATG 分布图谱。该研究为 ATGs 全球分布提供基线信息，助力其在多领域应用。
在微观的微生物世界里，微生物之间无时无刻不在进行着一场激烈的 “生存之战”。为了争夺有限的资源和生存空间，微生物们纷纷亮出自己的 “秘密武器”，其中抗菌毒素就是它们的重要 “武器” 之一。这些抗菌毒素由抗菌毒素基因（Antimicrobial Toxin Genes，ATGs）编码，不仅在微生物的生存竞争中发挥着关键作用，还与人类健康、生态系统平衡息息相关。然而，尽管抗菌毒素的重要性逐渐被认知，但目前仍有许多谜团尚未解开。比如，它们在全球的分布情况究竟如何？是什么因素在影响着它们的多样性和生物地理学特征？这些问题就像一团团迷雾，笼罩着科研人员，也促使他们开启了这场探索之旅。
山东大学的研究人员为了揭开这些谜团，开展了一项关于全球抗菌毒素基因生物地理学和预测的研究。他们的研究成果发表在《Microbiome》杂志上，为我们深入了解抗菌毒素基因提供了重要线索。
在研究过程中，研究人员运用了多种关键技术方法。首先，他们从地球微生物组计划（Earth Microbiome Project，EMP）选取 10,000 个样本，收集其中微生物群落的遗传信息；同时获取 NCBI 参考序列数据库中 217,614 个细菌或古菌基因组数据。接着，基于已知 ATGs 特征，利用 RPS - BLAST 等工具在相关基因组中鉴定 ATGs。之后，通过 CD - HIT 对 ATGs 进行聚类分析，计算其多样性和丰度。最后，运用随机森林算法，结合 97 个空间协变量对 ATGs 的全球分布进行预测。
下面让我们来看看具体的研究结果。
- 多样的抗菌毒素丰富了微生物群落的 “武器库”：研究人员通过将 16S rRNA 基因序列映射到微生物基因组，扫描已知抗菌毒素特征，在 10,000 个样本中鉴定出 4774 个 ATGs，这些 ATGs 来自 149 个蛋白家族。经过更严格筛选得到 4400 个独特同源蛋白簇，其中超 95% 的簇仅含 1 个成员，且 56.1% 存在于人类相关栖息地。抗菌毒素的潜在靶点多样，核酸是最常见的靶点。同时，ATG 家族与潜在的传递机制之间存在复杂多样的关联，大大丰富了微生物对抗的 “武器库”。
- ATGs 的分布在不同栖息地存在广泛差异：基于 10,000 个 EMP 样本分析，几乎所有微生物群落（99.1%）都含有可检测到的 ATGs。自由生活的微生物群落中，ATGs 的簇多样性、家族多样性和丰度与绝对纬度呈弱负相关；而宿主相关的微生物群落则相反，与绝对纬度呈正相关。自由生活群落的 ATGs 丰度低于宿主相关群落，但簇多样性和家族多样性更高。在不同类型栖息地中，盐碱栖息地的 ATGs 多样性低于非盐碱栖息地，植物相关栖息地（除植物根际类似土壤的环境）的多样性低于动物相关栖息地。此外，极端环境会降低 ATGs 的多样性和丰度。在人类相关栖息地中，其 ATGs 丰度略低于整体宿主相关群落，但簇多样性和家族多样性显著更高，且不同人类相关栖息地的 ATGs 分布也存在差异。
- 大多数 ATG 簇稀有但并非栖息地特有的：以簇为单位研究发现，ATG 簇的相对丰度分布符合对数正态模型，大多数簇在全球和各栖息地中都很稀有，仅出现在特定群落。然而，84.1% 的 ATG 簇在不同栖息地间共享，尤其是人类相关栖息地的 ATG 簇共享比例更高（97.8%）。不同栖息地间 ATG 簇的共享程度存在差异，其中动物体表栖息地与人类相关栖息地的共享程度较高，而盐碱地表栖息地与人类相关栖息地的共享程度较低。
- 绘制 ATGs 的全球分布图：研究人员利用随机森林算法，结合 95 个空间协变量预测 ATGs 的全球分布。结果显示，人口密集地区（如印度、中国东部、东南亚、中东、欧洲和美国部分地区）和温度较高地区（如非洲部分地区）的 ATG 簇多样性较高；而人口密度低、温度低的地区（如西伯利亚、加拿大和青藏高原）则较低。ATG 丰度热点主要集中在温度较高的地区（如中美洲和东南亚靠近赤道地区），人口密集但温度相对较低的地区（如中国东部、欧洲和美国）ATG 丰度较低。通过分析影响因素发现，人为因素和温度是影响全球 ATG 分布的两个关键驱动因素，其中多样性受人为因素影响更大，而丰度受温度影响更大 。
综合研究结果和讨论部分来看，这项研究意义重大。研究人员首次揭示了全球微生物群落中抗菌毒素的普遍性和多样性，每个微生物群落可能都编码着一套独特的抗菌毒素，就像拥有一个个性化的 “条形码”。深入解读这个 “条形码”，有助于我们更好地理解微生物在不同栖息地的定植规律。同时，研究发现 ATGs 的分布受多种因素影响，这为我们进一步探究微生物与环境之间的相互作用提供了新的视角。此外，鉴于抗菌毒素在临床、农业和工业领域的潜在应用价值，该研究为开发新型抗菌策略、利用微生物资源提供了重要的基线信息，也让我们更加清楚地认识到微生物抗菌毒素对人类健康可能存在的风险，为相关疾病的预防和控制提供了参考依据。
