重金属Zn对可移动遗传元件介导的土壤抗生素抗性基因水平转移驱动机制研究

Horizontal transfer of antibiotic resistance genes mediated by mobile genetic elements is a serious threat to human health, and many questions remain to be solved in the field of heavy metals driven co-selection of horizontal transfer of antibiotic resistance genes in soil. This study aimed to investigate heavy metals driven co-selection of horizontal transfer of antibiotic resistance genes in soil, and assessed using the selective screening medium, together with molecular biological techniques of quantitative PCR. Under the pressure of heavy metal Zn levels, changes in the soil of antibiotic resistance, screening and enrichment of antibiotic resistance genes and dynamics of mobile genetic elements, relating to the transfer of antibiotic resistance genes from bacteria resistance level, resistance source and vector molecules etc. The induction mechanism of Zn in soil antibiotic resistance genes of Aminoglycosides and mobile genetic elements is explored, and the potential risks of Zn on horizontal gene transfer of antibiotic resistance are assessed. Moreover, the correlation between aminoglycoside resistance genes and mobile genetic elements is analyses to clearly the driving mechanism of horizontal transfer of antibiotic resistance genes. The results of this study will indicate the driving mechanisms of aminoglycoside resistance genes and mobile genetic elements in response to Zn in the soil, and provide an important theoretical basis for suppressing the horizontal dissemination of aminoglycoside resistance genes.

可移动遗传元件介导的抗生素抗性基因水平转移问题严重威胁人类健康，而重金属对土壤抗生素抗性基因水平转移扩散传播的驱动机制还是未知。本研究针对土壤重金属驱动抗生素抗性基因水平转移传播的现象，拟采用实时荧光定量PCR、高通量宏基因组测序等分子生物学技术，结合选择性培养基筛选法，从抗生素抗性基因水平转移有关的抗性菌、抗性源及分子传播载体等方面，研究重金属Zn压力下土壤抗生素抗性水平变化、抗生素抗性基因及可移动遗传元件的响应特征，深入探究重金属Zn对土壤氨基糖苷类抗生素抗性基因及可移动遗传元件的诱导机制，解析重金属压力下氨基糖苷类抗生素抗性基因与可移动遗传元件之间关联性，以明确重金属Zn对氨基糖苷类抗生素抗性基因水平转移的驱动机理。该项目的完成，能明确可移动遗传元件响应重金属Zn的规律及Zn对氨基糖苷类抗生素抗性基因水平转移的驱动机制，为遏制土壤氨基糖苷类抗生素抗性基因水平传播扩散提供重要理论依据。

抗生素抗性基因作为一种新型环境污染物，不仅可以在环境中持久性残留，而且还可以通过水平迁移在不同环境介质中传播、扩散，产生潜在生态危害。土壤作为一种重要的环境介质，其中的重金属和抗生素复合污染现象日趋严重，因此有必要对土壤环境中的抗性菌、抗生素抗性基因及可移动遗传元件对重金属的响应特征进行探究。. 本研究在实验室条件下，向土壤中喷施不同浓度的硫酸锌溶液，处理不同时间后取样分析。Miseq高通量测序结果表明，高浓度的重金属锌对土壤长时间处理会降低土壤微生物的多样性和丰度，但在一定程度上能够促进抗性优势菌群的生长繁殖。不同浓度重金属锌处理对属水平上微生物种类差异较大。综合分析表明，锌离子浓度对土壤微生物群落结构的影响要大于处理时间对微生物群落结构的影响。. 利用实时定量PCR技术对土壤中包括氨基糖苷类抗性基因，可移动遗传元件转座子和Ⅰ类整合子的21个基因在内的丰度进行相对定量，发现氨基糖苷类抗性基因aacA/aphD，aac(6')-Iy，aac(6')-II，spcN，转座酶基因tnpA和整合子基因int11均在重金属锌浓度为800和1000 mg/kg时基因丰度明显上升。通过宏基因组测序的方法发现抗生素抗性基因的丰度和多样性受到了很大的影响，其中800 mg kg-1的锌离子提高抗生素抗性基因的丰度在1.1-23.7倍；显著提高了整合子和转座子等插入序列的丰度。冗余分析表明添加的锌离子显著的影响了抗生素抗性基因和可移动遗传元件的丰度。细菌的丰度和多样性被锌处理显著降低，表明高浓度的重金属锌给细菌带来较大的生存压力。网络分析揭示了抗生素抗性基因、可移动遗传元件及微生物群落之间存在较强的联系。结果表明，环境中高浓度的重金属锌与氨基糖苷类抗性基因及可移动遗传元件转座子和整合子之间能够形成共选择作用，促使抗生素抗性基因与可移动遗传元件转座子和整合子的基因丰度上升，有利于可移动遗传元件介导的氨基糖苷类抗性基因的水平转移。以期为遏制抗生素抗性基因在土壤环境中的水平传播扩散提供重要的理论依据。