喀斯特天坑不同发育阶段的土壤抗性组多样性与组成变化

《Applied Soil Ecology》：Soil resistome diversity and composition vary across developmental stages of karst tiankengs

　　

摘要

目前对土壤抗生素抗性基因（ARGs）的研究主要集中在受人类活动影响的环境中，而对相对未受干扰的喀斯特生态系统的了解仍然不足。我们利用鸟枪法宏基因组学对未成熟、成熟和退化天坑以及相邻天坑外部栖息地土壤中的ARGs、移动遗传元件（MGEs）和微生物群落进行了表征。我们检测到多样化的背景耐药组，以多重耐药和大环内酯类耐药基因为主导。ARG丰富度在退化天坑中始终较高，并随地貌发育指数（GDI）的增大而显著增加，而耐药组构成在不同发育阶段之间表现出明显的结构化差异。耐药组构成与微生物群落及MGE构成密切相关，而共现网络分析揭示了若干涉及tnpA特征的ARG关联。微生物丰富度对ARG构成中测得的生态变异贡献了最大的独立成分，尽管仍有相当比例的变异未能解释。在整个系统中检测到高风险ARG，尽管在退化天坑中观测到更广泛的耐药组，但其丰度并未相应增加。综合来看，这些发现表明，天坑地貌发育为通过整合微生物群落、环境条件和与移动性相关的遗传特征的变异，从而组织土壤耐药组提供了重要的生态背景。

引言

抗生素抗性基因（ARGs）日益被视为一种环境遗传污染物，它们存留于微生物群落中，在选择压力下不断积累，并跨越环境区室进行传播（Baquero等，2008；Shen等，2024）。尽管临床、农业和畜牧系统中的抗生素使用加速了ARGs的富集与扩散，但抗性基因是许多生态系统的天然组成部分（Versluis等，2015；Van Goethem等，2018；Qian等，2021）。环境耐药组作为抗性决定因子的背景储库，可能通过移动遗传元件（MGEs）的动员或环境胁迫因子的选择而获得生态或临床相关性（Ma等，2022；Partridge等，2018）。理解ARGs在自然和半自然环境中的分布与维持机制，对于评估其生态意义及潜在环境风险至关重要。

ARGs出现在农田土壤、河流、湿地、沉积物、含水层及其他受人类活动影响的系统中（Forsberg等，2014；Jiang等，2021；Wang等，2022）。相对未受干扰的生态系统研究不足，限制了我们区分背景耐药组模式与受直接人为输入影响模式的能力（Kim等，2022；Khalid等，2023；Jiang等，2025a）。喀斯特景观异质的地貌形态、薄土层、快速水文交换以及强烈的地表-地下连通性，使其成为考察微生物和功能基因保留、传输及生态过滤的有价值的研究对象（Zhang等，2021a；Ai等，2022）。然而，喀斯特系统中的大多数ARG研究主要集中在地下水或地表水环境，使得喀斯特负地形中的土壤耐药组仍缺乏深入了解。

喀斯特天坑是由碳酸盐岩景观中长期溶解、坍塌和地下排水形成的大型封闭或半封闭洼地（Zhu和Waltham，2005；Shui等，2022）。其陡峭的壁面、封闭的底部、对比鲜明的地貌形态配置以及独特的微气候，在土壤条件和植被方面产生了显著的环境异质性。在代表未成熟、成熟和退化发育阶段的天坑中，地貌形态的变异可能与土壤理化条件、微生物群落和耐药组的差异相伴随（Jiang和Zeng，2022；Wang等，2025）。然而，ARG多样性、构成和与风险相关的特征谱系是否在这些发育阶段之间表现出一致的变化模式，目前仍知之甚少。此外，天坑土壤中耐药组变异与土壤特性、微生物群落特征及MGEs的关联程度也尚不明确（Forsberg等，2014；Partridge等，2018；Liu等，2023）。解决这些问题有助于增进我们对脆弱喀斯特生态系统中背景耐药组的理解，并为喀斯特负地形中的ARG监测提供依据。

本研究利用宏基因组测序技术，对中国乐业-凤山世界地质公园喀斯特天坑中的土壤微生物群落、ARGs和MGEs进行了考察。我们从未成熟、成熟和退化天坑以及相邻天坑外部参考站点采集了土壤样本。我们直接量化了天坑的地貌形态属性，包括面积、隔离度和地貌发育指数（GDI）。GDI被用作天坑地貌形态的连续描述指标，与分类发育阶段划分互为补充（Chen等，2023；Wang等，2025）。我们考察了代表不同发育阶段的天坑土壤耐药组是否存在差异，以及耐药组变异是否与所测的地貌形态、土壤、微生物及MGEs相关联。具体而言，我们表征了ARG多样性和构成，评估了ARGs、微生物类群、MGEs和土壤特性之间的关联，并量化了所测环境及生物学变量对耐药组构成变异的相对贡献。我们预期耐药组多样性和构成在不同发育阶段之间存在差异，并且与GDI、土壤特性、微生物群落结构和MGEs相关联。

章节摘要

研究区域与样本采集

本研究在中国广西壮族自治区乐业-凤山世界地质公园的大石围天坑群进行。该地区属亚热带湿润季风气候，年均温16.6°C，年均降水量1220.3 mm。大石围天坑群包含代表不同发育阶段的天坑，因此为考察土壤微生物群落和耐药组在不同发育阶段之间的变异提供了适宜的研究场所。

不同发育阶段的耐药组构成与多样性

宏基因组分析在所有土壤样本中鉴定出769种ARG亚型，赋予对24类抗生素的抗性。多重耐药基因在耐药组中占主导地位，占总ARG丰度的54.78%，其次是大环内酯类（21.30%）和利福霉素类耐药基因（4.27%）（图2a）。抗生素外排是主要的抗性机制，抗生素灭活、靶标保护和靶标修饰代表了其他主要机制（图S1）。在亚型水平上

喀斯特天坑生态系统中的土壤耐药组谱系

我们的宏基因组调查在24个土壤宏基因组中鉴定出769种ARG亚型，揭示了喀斯特天坑土壤中多样化的背景耐药组。此类多样化抗性决定因子在相对未受干扰环境中的出现，与先前的研究结果一致，即ARGs是自然土壤微生物群落的普遍组成部分（D'Costa等，2011；Nesme和Simonet，2015；Van Goethem等，2018）。因此，这里检测到的ARGs不应被解读为

结论

我们的结果表明，地貌发育与喀斯特天坑中土壤耐药组的多样性和构成密切相关。退化天坑拥有更广泛的ARG库，同时伴随微生物群落构成和MGEs的变化。耐药组分化似乎反映了天坑之间生态和遗传变异的综合作用，而非任何单一环境因素所致。尽管在退化天坑中观测到更广泛的耐药组，但高风险ARG丰度并未增加

CRediT作者贡献声明

Qiu Changchun：撰写–初稿，软件，调查，形式分析，数据整理。Shui Wei：撰写–初稿，项目管理，调查，资金获取，概念化。Wu Yuqing：撰写–初稿，软件，形式分析，数据整理。Zhou Caiqin：软件，形式分析，数据整理。Han Leshan：软件，形式分析，数据整理。Zhang Yiyi：撰写–审阅与编辑，形式分析。Zhu Sufeng：撰写–审阅与编辑。

资助

本工作由中国国家自然科学基金资助（42501065；42471292）。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文所述工作的已知竞争性财务利益或个人关系。

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