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为探究抗生素抗性基因（ARGs）传播，研究人员分析全球多生态系统的质粒宏基因组，发现其分布受生态主导，空气或为传播关键媒介。
在神秘的微生物世界里，质粒作为基因传递的 “小使者”，发挥着至关重要的作用。它们是独立于染色体外的环状或线性 DNA 片段，携带着各种基因，赋予宿主微生物独特的 “技能”，比如帮助微生物分解有毒物质，或是让它们对抗生素产生抗性。然而，目前大多数关于抗性组（resistome）的研究，并没有区分由移动遗传元件（MGEs）携带的抗生素抗性基因（ARGs）和染色体携带的 ARGs，而且相关研究也仅局限于少数生态系统。这种研究现状就像在黑暗中摸索，无法让我们全面了解 ARGs 的传播机制，也难以制定出有效的策略来应对日益严重的抗生素耐药性问题。
为了打破这一困境，来自法国 Université Clermont Auvergne 的研究人员展开了一项具有开创性的研究。他们的研究成果发表在《Microbiome》杂志上，为我们揭示了质粒宏基因组（metaplasmidome）的奥秘，以及 ARGs 在全球生态系统中的传播规律。
研究人员采用了多种关键技术方法。首先，从公共数据库获取已有的或为本研究构建的组装数据，这些数据涵盖了人类微生物组、建筑环境、海洋生态系统、土壤生态系统等多个领域。之后，运用参考依赖和参考独立的方法预测质粒，并对预测的质粒进行聚类分析。在功能注释环节，利用多种数据库和工具，如 Prokka、PFAM、KEGG 等，对质粒进行全方位注释。同时，通过构建二分网络，分析微生物与质粒之间的关系。此外，还评估了水平基因转移（HGT），包括细菌（MAGs）与质粒之间以及质粒之间的转移情况。
研究结果如下：
- 质粒宏基因组的主要特征：研究人员从 15,023 个宏基因组数据集中，识别出 16,836,376 个质粒样序列（PLSs）。这些 PLSs 在不同生态系统中的占比差异较大，人类口腔、肠道和污水处理厂生态系统中的质粒含量较高。经过聚类分析，得到 6,244,208 个非冗余的质粒样簇（PLCs），构成了质粒宏基因组。其中，只有一小部分 PLCs 在公共数据库中有记录。功能注释显示，PLCs 主要富集了转座酶、结合转移菌毛和 IV 型系统等基因。
- PLCs 编码的抗性基因：ARGs 在质粒宏基因组注释基因中占比 2.44%，主要类型为 ABC 转运蛋白和糖肽抗性。不同生态系统中 ARGs 的分布存在差异，在人类肠道和废水生态系统中较为丰富，而在海洋环境中则较少。此外，研究还发现 ARGs 与金属抗性基因（MRGs）之间没有显著关系。
- PLCs 中检测到的移动遗传元件和 CRISPR 系统：研究检测到 32,895 个携带整合子的 PLCs，并且发现含有 ARGs 的 PLCs 显著富集整合子成分。此外，还检测到大量的插入序列（IS）、CAS 蛋白和 CRISPR 间隔区，这些都反映了质粒间的竞争和相互作用。
- 与质粒宏基因组分布相关的主要因素：不同生物群落之间共享的 PLCs 较少，生态系统和微生物群落组成是影响质粒多样性的主要因素，地理距离的影响相对较弱。在人类肠道中，BMI 是影响 PLCs 分布的主要因素，但这些变量并不能完全解释 PLCs 在人类肠道中的分布。
- 细菌与 PLCs 的连接：通过构建二分网络，研究人员识别出 1022 个关键 PLCs（keyPLCs），这些 keyPLCs 富含 ARGs 和 CAS - CRISPR 成分，可能与致病性和人类健康密切相关。进一步分析发现，空气和废水在 ARGs 的传播中起着重要作用。
- PLCs 在全球的分布：与人类健康相关的 MAGs 全球分布广泛，PLCs 与 MAGs 之间的距离差异较大。研究还发现，一些微生物物种能够与 keyPLCs 相互作用，并且在不同生态系统和生物群落中分布更广。
- 质粒宏基因组内及与微生物之间的水平基因转移：研究表明，近期 MAGs 与 PLCs 之间的水平基因转移中，ARGs 占 9.2%。而 PLCs 之间的水平基因转移虽然涉及大量片段，但并不优先涉及 ARGs。
在讨论和结论部分，研究人员指出，这项研究首次在全球范围内对质粒宏基因组进行分析，极大地扩展了质粒序列数据库。研究发现生态系统对质粒动态有显著影响，某些携带 ARGs 的质粒在不同生物群落中共享，而关键 PLCs 可能通过广泛宿主范围的质粒在全球传播 ARGs。此外，研究还确定了废水、淡水和空气是 ARGs 传播的关键栖息地，尤其是空气作为 ARGs 传播的载体，在以往的研究中常常被忽视。因此，有必要将空气纳入监测网络，以更好地监控和控制抗生素耐药性的传播。
总的来说，这项研究为我们深入了解质粒宏基因组和 ARGs 的传播提供了重要依据，有助于我们制定更有效的策略来应对抗生素耐药性这一全球性挑战。它就像一盏明灯，照亮了我们在微生物基因研究道路上前行的方向，为未来的研究和防控工作奠定了坚实的基础。
