在镉暴露下，小麦土壤微环境中的抗生素抗性基因组模式及其与根际代谢物谱型的关系

《Journal of Hazardous Materials》：Antibiotic resistome patterns across wheat soil microdomains under cadmium exposure and their associations with rhizosphere metabolite profiles

　　

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  小麦根际中抗菌素抗性基因的富集程度最高。
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  抗性组对镉的反应具有异质性和非单调性。
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  根际与土体土壤之间的代谢差异超过了镉处理的效果。
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  金属抗性基因和抗菌素抗性基因在数据集内部表现出强烈的相关性。
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  抗性基因（ARG）的变化与金属抗性基因（MRG）的丰度和共定位有关。

引言

随着工业和农业活动的加剧，土壤中重金属与抗菌素抗性基因（ARGs）的共污染现象在全球范围内日益普遍。这种趋势对全球生态安全和人类健康构成了重大威胁[13],[25],[3]。镉（Cd）是中国农业土壤中最常见的重金属污染物，具有高毒性和生物累积性。它不仅直接威胁食品安全，还对土壤微生物群落施加持续的选择压力[22],[30],[42]。先前的研究表明，作为ARGs生物学载体的土壤微生物在镉压力下进一步促进了ARGs的传播[22],[3]。自20世纪70年代以来，全球农业土壤中已经检测到多种类型的ARGs，包括对四环素、磺胺类、喹诺酮类、大环内酯类和β-内酰胺类抗生素具有抗性的基因[25]。这些ARGs可以扩散到植物根、茎和叶中，并通过可食用植物的微生物组进入食物链，从而放大其生态毒理学影响[3]。

在农业生态系统中，根际作为植物、土壤和微生物之间物质和信号交换的动态界面，对塑造土壤微生物群落的演替和调节ARGs的传播起着关键作用[10],[3]。许多研究证实，由于其丰富的营养供应和频繁的水平基因转移，根际微环境成为ARGs富集的热点区域[10],[2]。然而，尽管已报道了根际相关的ARG富集现象，但镉压力如何改变根际ARG的模式及其与代谢组重塑、潜在微生物宿主和小麦土壤微生物域中的金属抗性基因之间的关联仍不清楚。植物根系通过分泌特定代谢物来影响微生物群落的组成和结构，从而调节土壤的物理化学性质（如pH值和氧化还原电位），帮助植物应对环境压力[8]。因此，根系分泌物可能作为营养来源，影响与ARG相关的细菌的竞争优势，可能有助于根际抗性组的变异[13],[24],[26]。

先前的研究表明，镉压力会诱导植物根系分泌多种有机酸，如柠檬酸和苹果酸。这些化合物增强了金属的螯合作用，并影响根际中镉的固定和移动[29],[31],[38]。根系产生的化合物和土壤化学变化可能改变微生物群落的组成，从而与根际抗性组的变异有关[1],[12],[29]。然而，具体涉及的代谢物特征和微生物分类群尚未得到充分表征。重金属施加持续的环境选择压力，促使微生物获得和表达金属抗性基因（MRGs）。这些过程通过共抗性、交叉抗性和共调节等机制发生，最终增加环境中的ARGs丰度[11],[22]。尽管对重金属和ARGs之间的共选择现象已有初步了解，但以往的研究主要关注整个土壤尺度或个别微生物群落的表面特征。在镉压力下，根际代谢物、潜在的ARG宿主细菌、金属抗性基因、移动遗传元件和特定ARG亚型之间的关联在小麦根际微生物域中仍需进一步阐明。在此背景下，本研究对不同镉添加处理下的小麦进行了盆栽实验。在小麦拔节期收集了土壤微域样本，然后结合宏基因组分析和非靶向代谢组学来表征镉压力下小麦根际微生物生态系统中抗性组变异的分布模式和相关因素。本研究的具体目标是：（1）阐明镉暴露下小麦根际中ARGs的分布模式；（2）表征根际代谢组和细菌群落的镉相关差异；（3）探索根际代谢、细菌群落、遗传元件和ARG分布之间的关联和潜在遗传联系。本研究旨在描述空间抗性组模式，并识别与ARG变异相关的代谢、微生物和遗传因素，为未来的机制验证和抗性风险评估提供基础。

章节摘要

研究设计和采样

该土壤盆栽实验于2025年2月至2025年6月在中国甘肃省兰州市的实验室进行。土壤样本取自甘肃省陇南市一个矿区农田表层20厘米的土壤（33°57' N, 105°43' E）。经过风干后，按照2:1:1的质量比混合农田土壤、有机肥料和细沙制备了改良的盆栽基质。每个盆栽中包含10公斤基质，其中包含5公斤农田土壤和2.5公斤细沙。

镉压力下小麦土壤微域中的抗菌素抗性组谱型

在所有土壤样本中共鉴定出287种ARG亚型，归类为25个主要类别。观测到的ARG亚型丰富度和总TPM标准化相对丰度从O区到PS区和PR区呈上升趋势（图1a-b）。PR区的ARG亚型丰富度显著高于O区和PS区（图1a）。所有样本中ARG特异性Good's覆盖率均保持在较高水平（0.962-0.995），表明ARG亚型谱型的采样完整性较高。

空间抗性组模式和潜在的ARG相关细菌分类群

本研究观察到，不同操作定义的土壤区之间的ARG亚型丰富度和总TPM标准化相对丰度存在一致性差异，顺序为O < PS < PR。这一空间模式与先前的观察结果一致，即根际土壤中的ARG丰度通常高于非根际土壤[10],[12]。此外，观测到的ARG亚型丰富度和总TPM标准化相对丰度没有差异

结论

本研究显示，小麦土壤微域中的抗性组变异主要受空间差异的影响，而非一致的镉剂量响应。根际中的ARG亚型丰富度和TPM标准化的ARG丰度较高，绝对qPCR结果广泛支持根际相关土壤中选定ARG的富集。根际与未种植土体土壤之间的代谢组差异大于根际内部不同镉处理之间的差异

环境影响

本研究表明，在所研究的盆栽条件下，小麦根际是ARG富集的重要微域。然而，ARGs对镉的反应具有异质性和非单调性，而根际与土体土壤之间的代谢组差异明显大于根际内部基于镉的变化。候选代谢物特征、潜在的ARG相关分类群、MRGs、MGEs和ARG丰度之间的关联提供了可验证的指标

CRediT作者贡献声明

赵超：监督、调查、正式分析。刘阳：调查、数据管理。刘俊林：方法学、正式分析。张冰琳：写作-审阅与编辑、项目管理、资金获取。刘成龙：写作-审阅与编辑、监督、资金获取。杨瑞琪：写作-初稿、可视化、方法学、正式分析。周家鑫：可视化、数据管理。郭东宝：项目管理、资金获取。张高森：

利益冲突声明

我代表所有作者声明，与提交给《危险材料杂志》的题为“根际代谢物和金属抗性的共选择塑造了镉压力下小麦土壤中的抗菌素抗性组”的手稿无关任何已知的利益冲突。我确认手稿中的结果和解释是原创的，未抄袭。我保证已阅读并理解《危险材料杂志》的规定

致谢

本研究得到了中国甘肃省科技计划（24JRRA537）、甘肃省教育科技创新项目（2024A-135）以及中国自然资源部黄河上游战略矿产资源重点实验室（YSMRKF202410）的支持。

意义陈述

本研究表明，小麦根相关土壤中的ARG丰富度和相对丰度始终较高，特别是在根际；而对抗镉的反应

杨瑞琪|刘成龙|刘俊林|刘阳|赵超|郭东宝|周家鑫|戴希胜|张高森|张冰琳