规模猪场养殖环境中耐药质粒多态性及转移机制研究

Multidrug resistance (MDR) plasmids are vital vectors facilitating antibiotic resistance transmission among different pathogens in various environments. Animal farming environment is the important reservior of resistance genes, resistance plasmids and resistant pathogens due to extensive antibiotics exposure. Study on the polymorphism and transmission mechanism of resistance plasmids in farming environments will benefit the understanding of resistance genes transfer and evolution and provide support to risk assessment of resistance genes transfer; however, related studies are very few as a result of technology limitations. This project will utilize microbiology, molecular biology, metagenomics and novel third-generation sequencing technologies, to investigate resistance plasmids in industrial pig farming environments from the following aspects: (1) Composition and distribution of multidrug resistance plasmids in pig farming environments; (2) Identification and transmission study of novel resistance plasmids in pig farming environments; (3) Establish the analysis methods and workflow of resistance plasmids among resistome based on single molecule DNA sequencing technology, to support the in-depth study of resistomes of different environments. Through the above research, new strategies of evaluation on resistance genes transmission risk among farming environments and controlling the spread of MDR plasmids will be proposed.

多重耐药质粒是介导抗生素抗性在不同病原菌传播的重要载体，而养殖环境由于经常暴露在抗生素作用下，成为耐药基因、耐药质粒和耐药菌的重要储存库。研究耐药质粒在养殖环境耐药微生物组中的多态性及转移机制，对了解耐药基因的传播机制与演变规律具有重要的意义，可以为评估耐药基因的传播风险提供支持，由于之前技术条件等限制，这一领域目前报道很少。本课题基于微生物学、分子生物学、宏基因组学和新型三代测序技术，针对猪场养殖环境中介导耐药性传播的质粒这一重要载体，进行以下研究：（1）猪场养殖环境中多重耐药质粒的组成结构及分布规律；（2）猪场养殖环境中新型耐药质粒的鉴定与传播机制研究；（3）建立基于单分子测序技术的耐药组多重耐药质粒分析方法及流程，为更多的耐药组深度研究提供支持。通过以上的研究，以期为评估养殖环境中耐药基因的传播风险、控制多重耐药质粒传播提供新思路。

项目背景：新型耐药基因的产生与传播严重威胁着公共卫生安全，质粒作为耐药基因传播的重要遗传元件，是其传播的关键载体。系统研究介导新型耐药基因传播的多重耐药质粒的多态性和流行特征，可以为控制其传播提供科学参考。研究内容：本课题针对生猪养殖和屠宰生产环节等，进行粘菌素和替加环素耐药菌分离与鉴定，通过耐药表型测定、全基因组测序与生物信息分析，结合质粒进化和三代单分子分析技术等，阐明动物源新型耐药基因的传播特征。研究结果：1)新型单分子测序技术在快速解析耐药菌基因组特征方面的应用：建立了新发耐药菌的基因组学高效研究方案，利用纳米孔测序技术解析了mcr-1阳性多重耐药质粒的重组机制，同时探究了国产纳米孔测序平台在耐药菌基因组完成图构建中的应用；2)新型耐药质粒流行特征与多态性研究：通过对替加环素耐药基因tet(X)阳性质粒多样性和结构特征以及猪源替加环素耐药菌的流行分布与基因组特征研究，明确了替加环素耐药菌的广泛流行主要由质粒介导；3)新型耐药基因的鉴定和进化规律：在不同种细菌中鉴定了多种替加环素耐药基因tet(X)的新变体并进行了溯源分析，发现鸭疫里默氏杆菌是tet(X)基因的潜在宿主来源；对携带粘菌素耐药基因mcr-1阳性质粒的菌株的传代与进化特征研究，发现粘菌素药物压力是促进mcr-1稳定存在的关键因素。科学意义：研究结果为我国动物源新发耐药菌及耐药基因的流行特征提供了基于新型测序技术的快速解决方案，同时明确了动物起源的新发耐药基因mcr-1及tet(X)在食品动物生产链中的流行特征及进化规律，并从分子机制上解释了抗生素压力是耐药基因稳定存在于质粒中的驱动因素，为动物源耐药菌防控策略的制定提供了科学依据。