综述：环境DNA作为土壤-植物系统中水平基因转移的关键媒介

《Applied Soil Ecology》：Environmental DNA as a critical mediator of horizontal gene transfer in soil-plant systems

　　摘要 水平基因转移（HGT）是土壤-植物系统中适应性进化与生态动态的核心驱动力，对农业生态系统安全与环境稳定具有深远影响。尽管环境DNA（eDNA）已作为生物多样性与污染监测的非侵入性生物标志物被广泛认可，其在介导HGT过程中的功能作用却长期被严重忽视，现有研究将eDNA与HGT彼此割裂，缺乏统一的理论框架。本文在系统梳理相关研究的基础上，提出了一个统一的eDNA中心概念框架，以刻画农业生态系统中eDNA介导的HGT过程。我们识别出三个基本功能关联：eDNA携带完整的可移动遗传元件及HGT发生的关键决定因素；eDNA形成与HGT启动共享集约化农业实践驱动的趋同环境因子；eDNA周转与HGT事件表现出一致的生态意义。本研究超越传统的反应式事后HGT追溯方法，引入主动式HGT热点预测视角。此外，我们进一步指出关键研究局限，包括eDNA来源归属不清与分析流程非标准化，并规划了高优先级未来研究方向，以支持可持续农业生态系统管理与抗微生物耐药风险缓解。 引言 土壤-植物系统的健康状况是全球粮食安全与可持续农业生产的基础，支撑着陆地农业生态系统的结构与功能稳定，并通过核心"同一健康"框架与作物质量、食品安全以及人和环境健康紧密关联（Zeng等，2025）。土壤基质、植物及相关微生物群落之间动态多面的相互作用构成了这些系统的功能核心，各组分持续适应环境条件，同时彼此塑造周围生物与非生物环境。然而，农业生产集约化以及农用化学品与污染物的投入日益破坏这些相互作用，推动功能基因在物种间无序扩散，对土壤-植物系统的长期健康与稳定构成隐蔽且持续的威胁（Lozano等，2014；Toju等，2018）。因此，阐明调控土壤-植物系统动态的核心机制、制定兼顾高效农业生产和农业生态系统保护的针对性管理策略，具有至关重要的意义（Banerjee与van der Heijden，2023；Lehmann等，2020）。 水平基因转移（HGT）是农业土壤-植物系统中快速适应性进化的核心驱动力，直接塑造系统的功能动态与长期稳定（Mariault等，2025；Zhao等，2024）。与仅限于单一谱系代际间传递的垂直遗传不同，HGT使土壤微生物、植物及相关生物体之间实现跨物种乃至跨界的基因交换，使生物体能在单代内迅速拓展其生态适应能力（Li等，2022b）。这一现象的标志性例证是Xia等（2021）的里程碑研究，该研究揭示了粉虱Bemisia tabaci通过HGT劫持植物来源的解毒基因，这些获得的基因使粉虱能够降解植物防御性次生代谢物，为其对多种农作物表现出非凡宿主适应性提供了明确的机理解释。通过介导关键功能基因（包括胁迫耐受、营养代谢、污染物降解及抗性耐药）的转移，HGT作为微生物群落组装、植物-微生物共生以及农业生态系统韧性的关键调控因子发挥作用（Arnold等，2022；Kosterlitz等，2023；Sezmis等，2023；Widen等，2023）。值得注意的是，HGT对可持续农业生产而言是一把双刃剑。有益HGT事件可提升作物养分利用效率，增强农田土壤自净化能力，减少农业化学品依赖，在气候变化与粮食安全压力下支持可持续农业集约化（Morel-Letelier等，2024；Pi等，2022）。相反，集约化农业投入显著加速有害遗传元件的失控HGT：除草剂/杀菌剂抗药性基因的水平转移可使农业化学品防控失效，导致产量损失与二次污染，而抗生素耐药基因通过HGT广泛传播则通过土壤-植物-人类传播链构成潜在食品安全风险（Li等，2022a）。因此，解析农业土壤-植物系统中HGT动态与调控机制对利用其益处并减轻其风险至关重要（Berthold等，2016；Haegeman等，2011）。然而，当前农业生态系统HGT研究仍主要局限于胞内转移事件，严重缺乏追溯可移动遗传元件在土壤基质中完整环境命运及其原位转移过程的框架——这是制约农业系统精准HGT调控的关键瓶颈。 针对农业土壤-植物系统中原位HGT追踪的核心瓶颈，环境DNA（eDNA）提供了一个新颖而强大的框架以破解这些系统中的HGT动态。现有研究中，eDNA通常被定义为从环境样本中提取的DNA总量（Taberlet等，2012；Hassan等，2023；Hassan等，2026）。相比之下，胞外DNA（exDNA）——胞内DNA（iDNA）的微生物学对应物——特指位于微生物细胞外的游离DNA分子，包括溶解于水相的DNA及结合于生物膜胞外聚合物（EPS）中的DNA，并作为自然转化（HGT核心途径之一）的直接底物（Zarei-Baygi与Smith，2021；Nagler等，2022；Ye等，2022）。我们提出，eDNA与exDNA在不同学术领域中的概念碎片化以及缺乏系统性整合，在一定程度上阻碍了eDNA功能研究的进展。基于这一前提，本综述采用统一的生态系统尺度定义标准：exDNA是eDNA在微生物胞外微环境中固有的功能活性组分。如本文所定义，eDNA指存在于土壤、水体、植物表面等环境基质中、完整活体之外的所有DNA分子总库；该库不仅包含微生物exDNA，还包括源自植物、动物及死亡生物的胞外DNA片段，以游离溶解态和结合态（吸附于矿物颗粒、有机质及其他环境载体）存在。简言之，exDNA代表更广泛的eDNA库中直接介导HGT事件的功能活性核心，而整个eDNA库则作为一个动态基因储库，通过其环境循环过程塑造HGT的发生与传播。从这一视角出发，可以轻易发现当前研究中的一些问题（Dong等，2019；Okshevsky与Meyer，2015；Pietramellara等，2008）。数十年来，eDNA在农业系统中仅被广泛用作生物多样性监测与污染评估的非侵入性生物标志物，而其作为移动底物及HGT直接介导者的核心功能作用却严重被忽视。实证研究已证实，农田土壤中的eDNA不仅携带完整的可移动遗传元件（MGEs）、抗生素耐药基因（ARGs）及污染物降解基因，还直接反映农业活动及土壤非生物/生物因子驱动的选择压力强度。这些特征使eDNA不仅成为追踪农业原位环境中HGT频率、方向及生态后果的理想代理指标，也是阐明土壤-植物系统中HGT全链条机制的关键切入点（Alberdi等，2022；Ellegren与Galtier，2016）。 基于所识别的知识空白——即对农业土壤-植物系统中eDNA调控HGT的整体性、全链条理解仍然缺乏——本综述综合构建了一个以eDNA为中心的集成框架，以解码农业生态系统中HGT的全链条动态。我们首先全面刻画eDNA在农田土壤-植物系统中的核心属性，包括其来源、环境持久性、理化性质以及长期被忽视的功能潜力。随后，我们从eDNA中心视角剖析环境基因流，阐述其与HGT过程的内在关联，绘制HGT在土壤-植物界面的完整发生轨迹，并评估eDNA对塑造农业环境中HGT动态的贡献。在此基础上，我们综合阐述eDNA驱动HGT在农业生态系统中的双重生态效应，并进一步评估基于eDNA的前沿方法用于原位监测与预测HGT事件。最后，我们识别该领域关键未解决挑战并规划未来研究优先方向。通过将环境选择压力、分子调控机制与农业生态系统管理意义相衔接，本综述将eDNA的概念定位从被动监测生物标志物推进为解码HGT过程的核心功能调控因子与信息基质，最终目标是为基因知情的可持续农业管理与农业生态系统健康保护提供科学支持。 片段摘要 eDNA的来源与核心理化性质 在自然界中，各类生物体（包括微生物、动物和植物）均具有向环境释放DNA的能力，且该DNA可被保存与检测（Banerjee等，2022；Fierer，2017；Foster等，2021；Vasar等，2023）。无论释放过程是主动还是被动，环境因子（包括生物与非生物）在胞内DNA转化为eDNA过程中均发挥显著作用。迄今为止，大多数eDNA相关研究集中于 农业生态系统中eDNA与HGT的核心功能关联 在自然环境中，微生物群落菌株间遗传物质——特别是可移动遗传元件——的迁移、交换与传递是一种普遍现象。HGT在微生物群落进化与环境适应中发挥关键作用，并具有重要生态意义。 eDNA介导的土壤-植物系统基因交换：尚未解决的机制问题 在破解eDNA介导的遗传信息交换网络过程中，一个关键的未解决问题是：eDNA是直接贡献于HGT启动，还是仅作为HGT事件的标记？作为土壤-植物系统中普遍存在的胞外核酸库，eDNA固有地富含MGEs（Deng等，2023）。这些元件是HGT的明确驱动力，因为它们能使外源遗传物质动员并整合至宿主基因组中（Horne等 结论 本综述提出了一个以eDNA为中心的集成框架以解析农业生态系统中的HGT事件，将eDNA从被动非侵入性监测生物标志物重新定位为土壤-植物系统中HGT的核心介导者与关键底物。在此框架中，生物体在环境胁迫下释放特征性eDNA。释放的eDNA在生物活性驱动及波动环境条件下经历迁移与周转，并在热点区域中变得可被HGT利用 CRediT作者贡献声明 杨正逸：稿件审阅与编辑，稿件初稿撰写，可视化，方法学，形式化分析，数据整理，概念构思。钟国华：稿件审阅与编辑，验证，监督，概念构思。刘杰：稿件审阅与编辑，验证，监督，软件，资源，方法学，经费获取，概念构思。 利益冲突声明 作者声明不存在利益冲突。 资金支持 本研究由中国国家重点研发计划（2023YFD1701100和2024YFD1701200）资助。 杨正逸|钟国华|刘杰 华南农业大学绿色农药国家重点实验室，广州，510642，中国