科研進(jìn)展 | 西湖大學(xué)鞠峰、陶亮團隊合作揭示深海微生物組賦存致病性和抗生素抗性潛力的獨特特征

近日，西湖大學(xué)工學(xué)院鞠峰團隊與生命科學(xué)學(xué)院陶亮團隊合作在 Environmental Microbiome 在線(xiàn)發(fā)表了題為“Distinctive signatures of pathogenic and antibiotic resistant potentials in the hadal microbiome”的最新研究成果，這項工作描繪了全球最深處——馬里亞納海溝挑戰者深淵的沉積物和深層海水中微生物的毒力因子基因（VGs）、抗生素抗性基因（ARGs）以及可移動(dòng)遺傳元件（MGEs）的獨特組成特征，為進(jìn)一步深入了解深海環(huán)境以及深海微生物致病性、耐藥性和適應性進(jìn)化提供了新的見(jiàn)解。

文章鏈接：https://doi.org/10.1186/s40793-022-00413-5

在深淵區（hadal zone，約 6000-11,000 米）低溫、高靜水壓、低有機質(zhì)的極端能量限制和環(huán)境條件下，仍可容納許多微生物。它們在深海形成了獨特的微生態(tài)環(huán)境，然而，這些微生物的致病性、抗性和適應性特征仍然未知。在本研究中，鞠峰團隊和陶亮團隊使用非培養的宏基因組方法合作挖掘了馬里亞納海溝的深淵微生物群的毒力因子和抗生素抗性基因。

該研究依托西湖大學(xué)工學(xué)院講席崔維成教授2018年年底的深?？瓶己桨?，采集了來(lái)自包括馬里亞納海溝的挑戰者深淵底部（10,898 m）和溝槽的峭壁點(diǎn)（6038 m）的太平洋沉積物樣本，結合先前已發(fā)表的馬里亞納海溝不同深度收集的海水深淵微生物的宏基因組數據，加以對比分析。該項目詳細剖析了來(lái)自三個(gè)樣本的深海微生物的VGs、ARGs以及MGEs的結構組成和特征。

圖1. 沉積物樣本采樣位點(diǎn)

與其他深海微生物樣本相比，挑戰者深度底部沉積物樣本表現出了獨特的毒力因子和抗性基因的組成多樣性和分布模式。與來(lái)自較淺位置的沉積物相比，馬里亞納海溝挑戰者深淵沉積物具有更高的豐度和更多類(lèi)型的毒素基因。在最深點(diǎn)的海底沉積物中還發(fā)現了一些編碼最臭名昭著(zhù)的細菌毒素的基因，包括肉毒桿菌神經(jīng)毒素、破傷風(fēng)神經(jīng)毒素和大梭菌毒素；而在其他樣本中幾乎無(wú)法檢索到這些基因。

在抗生素抗性基因方面，馬里亞納海溝的沉積物和海水之間存在顯著(zhù)的跨生境差異，一些人為來(lái)源的抗生素抗性基因（fosX、sul1和一些TEM家族的超廣譜β-內酰胺水解酶）在萬(wàn)米海溝中被發(fā)現甚至富集也指征了人為因素對海溝造成的環(huán)境污染和影響。

圖2. a, b分別為樣本中外毒素基因的相對豐度與多樣性和外毒素基因的主成分分析；c, d和e分別表示了樣本中ARGs在沉積物和海水中的相對豐度與多樣性和主成分分析。

可移動(dòng)遺傳元件（MGEs）可以幫助細菌通過(guò)水平基因轉移快速獲得新的性狀以在環(huán)境變化中生存，為了進(jìn)一步探究哪些水平基因轉移機制有助于馬里亞納海溝微生物在深淵的適應和進(jìn)化，探索馬里亞納海溝沉積物微生物組的ARGs和VGs的傳播潛力，研究者們還考察了MGEs的分布特征和三者在宏基因組組裝重疊群上的共現情況。

總的來(lái)說(shuō)，噬菌體和整合酶介導的水平基因轉移是馬里亞納海溝沉積細菌進(jìn)化的主要機制。而沉積物樣本中的微生物毒力因子和抗生素抗性基因存在著(zhù)大量共同選擇，在挑戰者深淵底部這些存在著(zhù)毒力因子和抗生素抗性基因共選擇的微生物宿主有超過(guò)一半是目前未知的微生物。

此研究首次系統性地概述了馬里亞納海溝深淵區微生物組的致病性、抗性組和可移動(dòng)遺傳元件組的分布模式和多樣性。該研究的新發(fā)現不僅為進(jìn)一步分析極端環(huán)境下微生物致病性、抗性和水平基因轉移參與的進(jìn)化過(guò)程提供了新的證據，同時(shí)這里進(jìn)一步提出了一個(gè)開(kāi)放性問(wèn)題，即自然和人為起源的選擇壓力對地球表面最深處的抗生素耐藥性和微生物致病性的局部發(fā)展和傳播的相對貢獻孰輕孰重。

西湖大學(xué)陶亮團隊博士生賀柳晴、鞠峰團隊博士生黃昕瑜為本文共同第一作者，西湖大學(xué)鞠峰、陶亮為本文的共同通訊作者。本課題受到國家自然科學(xué)基金、浙江省自然科學(xué)基金、西湖實(shí)驗室（生命科學(xué)和生物醫學(xué)浙江省實(shí)驗室）、浙江省海岸帶環(huán)境與資源研究重點(diǎn)實(shí)驗室及西湖教育基金會(huì )的資助。特別感謝西湖大學(xué)工學(xué)院崔維成教授及其團隊對本研究項目采樣工作的支持與幫助。