编译：微科盟闲语师兄，编辑：微科盟居居、江舜尧。

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导读  

了解抗生素耐药基因(ARGs)在植物根际的传播和出现，对于评估现代ARGs在土壤地球健康中的风险至关重要。然而，人们对植物根际的选择机制知之甚少。本研究首先分析了拟南芥根际微生物组三代富集过程中根际抗生素耐药基因组的动态变化，发现植物定向富集具有多种ARGs的有益功能细菌。利用宏基因组技术评估了四种常见作物(大麦、籼稻、粳稻和小麦)中耐药基因组的富集潜力，发现小麦根际含有更丰富的ARGs。因此，最终对小麦根际微生物组进行了三代培育，发现约60%的ARGs与小麦根际富集的有益细菌有关，这些细菌可能进入土壤食物网并威胁人类健康，尽管它们在植物根际也发挥着有益的功能。本研究为ARGs在植物根际的传播提供了新的见解，所获得的数据可能有利于农业可持续发展和生态安全。

图文摘要    

论文ID

原名：Plants select antibiotic resistome in rhizosphere in early stage

译名：植物早期在根际选择抗生素耐药基因组

期刊：Science of the Total Environment

IF：10.753

发表时间：2022.10

通讯作者：陆涛

通讯作者单位：浙江工业大学环境学院

DOI号：10.1016/j.scitotenv.2022.159847

实验设计

结果

1 多个培育周期中耐药基因组变化的表征

拟南芥根际的所有样品共检测到119个ARGs和5个可移动遗传元件(MGEs)。根据检测到的ARGs分为9类(氨基糖苷类、β-内酰胺类、大环内酯-林可酰胺-链阳霉素B(MLSB)、多药耐药、磺胺类、四环素类、氯霉素、万古霉素和其他)。其中，多药耐药基因、氨基糖苷类和四环素耐药基因是最主要的类别。这些ARGs的耐药机制主要包括抗生素失活(41%)、外排泵(37%)、细胞保护(18%)和未知(4%)。连续栽培几代拟南芥的土壤悬浮液富集后，根际土壤中ARGs和MGEs的数量显著高于自然土壤(NS)，而不同栽培周期的样品中这些数量没有明显变化(图1a)，表明根际可能是ARGs富集的一个重要微域。随着培育周期的增加，耐药基因组的多样性指标(Shannon和Simpson指数)逐渐下降，表明部分ARGs水平逐渐降低。 为了确定样本中ARGs组成变化的关键驱动因素，我们使用了基于Bray-Curtis距离的PCoA分析(图1b)。第一主坐标(PCo1)从G1、G2和G3(ANOSIM，P=0.002，R2=0.69)中显著分离出NS，表明拟南芥对耐药基因组的根际效应。随着第二主坐标(PCo2)的加入，三代的模式相互分离，G1和G3之间存在显著差异(ANOSIM，P=0.002，R2=0.69)，表明宿主多代培育过程中耐药基因组发生了变化。为了确定在培育周期中变化显著的ARGs，我们选择了在75%的样本中均存在的10个最丰富的ARGs。部分ARGs(如磺胺耐药基因sul2、多药耐药基因oprD和ttgB、氨基糖苷类耐药基因aphA1、β内酰胺酶耐药基因blaCMY2和blaCMY)在G1土壤样品中含量较低，但随着培育周期的增加而增加，在G3中显著富集(图1c)。为了确定ARG水平的动态变化，我们使用了基于ARG组成的中性群落模型(NCM)(图1d)。该模型在所有样本中表现出极弱的拟合优度(R2 =0.021)和元群落中极少的迁移(Nm=12)，表明ARG在根际的积累不是一个随机过程，而是由宿主决定的重要的定向选择。

图1 植物影响根际微生物群落和抗生素耐药基因组。a. 来自Natural soil (NS，自然土壤)和根际土壤的ARGs和MGEs总数(G1、G2和G3，G表示世代)。b. 采用基于ARGs和MGEs相对丰度的Bray-Curtis距离进行主坐标分析(PCoA)，以解释NS、G1、G2和G3中ARGs和MGEs分布模式的差异。c. 显示根际土壤中10个最丰富和最常见的ARGs(≥75%)的变化趋势的热图。这些ARGs的相对丰度随着培育周期的增加而增加。d. 中性群落模型拟合了不同ARGs的出现频率与根际土壤平均相对丰度的函数关系。e. 根际微生物群(属水平)与耐药基因组之间的关系。普通最小二乘线性回归显示了相关ARGs的数量与群落指标(度、negative degree、接近中心性和hub)之间的关系。

2 多个培育周期的根际微生物组特征

基于拟南芥16S rRNA基因扩增子测序结果，使用PCoA分析发现PCo1将NS与G1、G2和G3显著分离(ANOSIM，P=0.001)。我们进一步测定了拟南芥根际微生物组的组成，发现在属水平上前10个最丰富的属中有8个(其中假单胞菌Pseudomonas、根瘤菌Rhizobium和黄杆菌Flavobacterium)(频率>75%)在培育周期中逐渐富集。经过一个培育周期后，根际微生物群落中Methylotenera消失，鞘氨醇单胞菌(Sphingomonas)随着培育周期的增加而逐渐减少。主要属在整个培育周期的梯度结果表明，宿主对根际微生物表现出很强的选择性。Mantel检验(R2=0.74，P=0.01)和Procrustes分析(∑M2=0.16，r=0.91，P