《Journal of Hazardous Materials》：Concurrence of Antibiotic Resistance Genes in Plasmid Genomes Shape Environmental Resistomes
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摘要质粒相关抗生素抗性基因（ARGs）的水平转移在环境抗生素抗性传播中发挥着关键作用。在本研究中，我们表征了质粒基因组中ARGs的共现模式，并在106个环境宏基因组中检测了质粒相关ARGs。已知ARG亚型中约有半数（257种）出现在质粒基因组中，近四分之一的质粒携带ARGs，
摘要
质粒相关抗生素抗性基因（ARGs）的水平转移在环境抗生素抗性传播中发挥着关键作用。在本研究中，我们表征了质粒基因组中ARGs的共现模式，并在106个环境宏基因组中检测了质粒相关ARGs。已知ARG亚型中约有半数（257种）出现在质粒基因组中，近四分之一的质粒携带ARGs，包括携带超过20种ARG亚型且涵盖10类抗生素的"超级质粒"。氨基糖苷类抗性基因（AmRGs）在质粒基因组中与其他ARGs的共现频率（CF）最高，其次是β-内酰胺类和磺胺类抗性基因。许多高风险ARGs优先与AmRGs共存（占AmRGs总共现频率的45.6%）。环境宏基因组显示，受污染环境与相对原始环境的质粒相关ARGs谱存在显著差异，人为污染下ARGs的多样性和丰度显著增加。5种广泛存在的ARG亚型在所有环境介质中均有出现，而受污染环境中含有更多独特的ARGs。共现网络鉴定出AmRGs作为连接环境耐药组中多个ARG亚型的"枢纽"。质粒-ARG互作网络进一步显示，受污染环境中存在更复杂的潜在质粒介导ARGs并发传播。总体而言，氨基糖苷类的使用比其他抗生素更可能导致多种质粒相关ARGs的共传播，并提出ARGs的共现频率作为评估人为抗生素胁迫下ARGs传播的重要补充因素。
引言
世界卫生组织（WHO）已将抗生素抗性（AR）宣布为一种普遍存在的全球健康威胁[1]。根据2024年《柳叶刀》发布的最新报告，每年有超过100万人死于抗生素耐药感染[2]。令人担忧的是，预测显示若不采取有效措施遏制AR的传播，从现在到2050年AR将导致超过3900万人死亡，这一数字甚至高于癌症死亡人数[2], [3]。AR已成为最为紧迫的全球健康挑战之一[4]。
抗生素抗性是一种自然且古老的现象[5]。在几乎未受人类活动影响的环境中，如极地地区[6]和青藏高原[7]，均可发现多样的抗生素抗性基因（ARGs）。ARGs也被列为新兴污染物之一[8]，并通过水平基因转移（HGT）在人为抗生素大量使用下广泛传播[9]。ARGs从深海到人类活动影响的河口区域呈现出明显的富集趋势[10]。自20世纪40年代以来，随着抗生素的广泛生产和使用，土壤中ARGs的总丰度显著增加[11]。质粒是ARGs在细菌宿主间传播不可或缺的车辆，甚至能突破物种屏障[12]。然而，混杂质粒介导ARGs的广泛传播与人为抗生素胁迫之间通常存在复杂的关系[13]。这需要对口质粒相关ARGs进行深入研究，例如其在不同ARG亚型共现模式以及人为抗生素作为ARGs传播化学驱动力的等级方面。
越来越多的研究证实了环境细菌作为ARGs巨大储库的临床重要性[14]。ARGs从环境微生物组向致命病原体的传播被认为是极其罕见但极具破坏性的事件[15]。可转移ARGs被认为对公众健康的危害概率更高[16]。例如，mcr-1是一种可移动的黏菌素抗性基因，已在31个国家的七种病原物种中被迅速获取[17]。控制和减轻AR的潜在风险需要对ARGs的产生及其通过HGT在细菌宿主间的传播进行多方面了解[18]。质粒不仅是ARGs的主要载体[19]，还参与多种已知的HGT机制[20]。因此，我们重点关注具有在各种生态位中传播潜力的高概率质粒相关ARGs。这对于构建可转移ARGs的整体和基准图谱至关重要，有助于为降低抗生素抗性风险的决策管理框架提供实质依据。
本研究的目标如下：(1) 调查不同ARG亚型在质粒基因组中的共现模式；(2) 采用基于高通量测序（HTS）的宏基因组学方法，获取来自相对原始环境和人类影响环境的各种样本中质粒相关ARGs的综合谱，包括气溶胶颗粒、水、粪便、人体黏液、沉积物、污泥和土壤；(3) 了解不同环境中质粒相关ARGs谱的特征及差异。
章节摘要
采样计划与宏基因组数据来源
如补充信息S1所述，共从不同环境场景采集了106个样本，包括7个活性污泥样本、33个粪便样本（人、鸡、猪、牛、羊和鱼）、4个人体黏液样本、27个沉积物样本（水产养殖区、河流、河口、南海和西藏）、17个土壤样本（极地地区、青藏高原和石化厂）、5个气溶胶样本（畜牧场、污水处理厂和城市区域）、4个水
质粒携带ARGs的特征分析
图1a显示，质粒携带的ARGs可赋予16类抗生素抗性（即抗性类型）。在这些抗性类型中，质粒上氨基糖苷类抗性基因（AmRGs）的出现频率（OF）最高（1287），其次是β-内酰胺类ARGs（1218）、多重耐药（749）、磺胺类（531）、四环素类（478）、氯霉素类（314）、多肽类（239）、甲氧苄啶（217）、氟喹诺酮类（154）、大环内酯类（138）等。这表明在
讨论
质粒携带大量多样的ARGs，例如具有临床相关性的接合性质粒携带了8229种涉及12类抗生素的ARGs[35]。研究发现，2010年至2016年间，10种ARG亚型在质粒上的出现频率增长了4倍[36]。本研究总结出，所使用数据库中约有23%的质粒携带与临床常用前沿治疗抗生素相关的ARGs，例如
环境意义
本研究表明，质粒上ARGs的共现模式在塑造真实环境中的抗生素耐药组方面发挥着重要作用。多个ARGs在质粒上的共存很好地解释了单一抗生素的选择压力可能导致ARGs的复杂污染现象，即促进携带大量ARGs的质粒的广泛转移和传播。值得注意的是，氨基糖苷类可被提议为最可能
CRediT作者贡献声明
袁科：形式分析。张家军：项目管理、资金获取。于科：项目管理、形式分析。明莉莉：资金获取、数据管理。杨英：形式分析。梁一鸣：数据管理。杨旭彬：项目管理、数据管理。陈宝伟：写作—审阅与编辑、项目管理、资金获取、形式分析、概念化。罗松柏：写作—初稿、形式分析。栾天刚：项目
利益冲突声明
作者声明不存在任何已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。
致谢
本研究得到国家自然科学基金（项目编号22276224、12171494和22127810）以及中华人民共和国海关总署科研项目的资助（2024HK011）。
作者贡献
陈宝伟、张家军、于科、杨旭彬和栾天刚设计了本项目。冯子钰、杨盛平、袁科、杨英、杨旭彬和明莉莉完成了样本采集和测序数据收集。李兆宏、罗松柏、袁科、于科和陈宝伟
李兆宏|罗松柏|杨旭彬|梁一鸣|冯子钰|杨盛平|袁科|杨英|明莉莉|于科|张家军|栾天刚|陈宝伟
中山大学珠海校区海洋科学与工程学院，广东省海洋资源与海岸工程重点实验室，珠海，519082，中国
