土壤-植物系統(tǒng)是抗生素抗性基因（簡(jiǎn)稱抗性基因）從環(huán)境向人類傳播擴(kuò)散的一個(gè)重要途徑, 是環(huán)境抗性基因人群暴露的主要來源。通過對(duì)土壤-植物系統(tǒng)中抗性基因的研究, 可以明確抗性基因在土壤生物中的分布及其傳遞, 分析抗性基因食物鏈傳遞的風(fēng)險(xiǎn)及其規(guī)律, 從而為控制抗性基因污染提供理論依據(jù), 保障人類健康,。同時(shí), 其對(duì)于維護(hù)星球健康也具有重要的價(jià)值,。本文總結(jié)了土壤（包括土壤動(dòng)物腸道）和植物微生物組中抗性組的重要研究進(jìn)展, 強(qiáng)調(diào)了抗性基因流在土壤-植物系統(tǒng)中的流動(dòng)給土壤生態(tài)系統(tǒng)帶來的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn), 最后提出了通過管理土壤-植物系統(tǒng)中的抗性基因流以保障星球健康的方案, 并對(duì)未來研究進(jìn)行了展望。

環(huán)境中的抗生素殘留即使在低濃度下也可以對(duì)細(xì)菌產(chǎn)生選擇壓力。隨著人類活動(dòng)(有機(jī)肥施用和污水灌溉等)的加劇, 抗生素抗性細(xì)菌（以下簡(jiǎn)稱抗性細(xì)菌）和抗生素抗性基因（antibiotic resistance genes, ARGs, 以下簡(jiǎn)稱抗性基因）在環(huán)境中不斷擴(kuò)散增殖,?？剐曰蛞驯粡V泛認(rèn)為是一類新型的環(huán)境污染物, 與傳統(tǒng)化學(xué)污染物不同, 抗性基因污染屬于生物污染, 不僅會(huì)在不同環(huán)境介質(zhì)中持久性殘留、轉(zhuǎn)移和擴(kuò)散, 而且具有暴發(fā)性的特征, 一旦失控, 將嚴(yán)重威脅公共安全,。例如, 2010年印度新德里報(bào)道的“超級(jí)細(xì)菌”事件, 是由于抗生素對(duì)攜帶有抗性基因的致病菌治療無效引發(fā)的,。我國(guó)是抗生素的生產(chǎn)與消費(fèi)大國(guó), 其引起的環(huán)境問題一直受到中國(guó)科學(xué)家的廣泛關(guān)注。國(guó)內(nèi)已對(duì)環(huán)境中的抗生素與抗性基因污染的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)展開了系統(tǒng)的研究, 并取得了很多突破性進(jìn)展,。

土壤-植物系統(tǒng)包括綠色植物及其根系周圍的土壤環(huán)境（土壤,、微生物和動(dòng)物）, 是地球生態(tài)系統(tǒng)中與人類生存和健康最為密切的系統(tǒng), 其實(shí)質(zhì)是涉及土壤-微生物-動(dòng)物-植物的四元體系。土壤是地球上最大的微生物棲息地, 同時(shí)也是最大的抗性基因儲(chǔ)存庫。

隨著人類活動(dòng)影響的加劇, 糞肥,、污泥農(nóng)用及再生水灌溉等因素使得土壤抗性基因水平顯著升高,。生長(zhǎng)在土壤中的植物, 其表面和內(nèi)部附著各種微生物, 統(tǒng)稱為植物微生物組, 它們?cè)谥参锷L(zhǎng)和抗病中發(fā)揮重要作用。植物的根際微生物和葉際微生物是植物微生物組的重要組成,。植物根際環(huán)境是受植物根系和根系分泌物直接影響的薄層土壤, 包含復(fù)雜的微生物類群, 根際微生物主要來源于土壤環(huán)境,。植物葉際微生物主要來源于植物本身的土著微生物和通過土壤、空氣及其他植物水平傳播獲得的外源微生物,。土壤,、根際和葉際的微生物活動(dòng)將土壤、微生物和植物聯(lián)系起來, 構(gòu)成環(huán)境中一個(gè)獨(dú)特的生態(tài)系統(tǒng)單元,。

土壤-植物系統(tǒng)是抗性基因從環(huán)境向人類傳播擴(kuò)散的重要途徑之一, 是環(huán)境抗性基因人群暴露的主要來源,。食物鏈?zhǔn)峭寥?植物系統(tǒng)中的抗性細(xì)菌和抗性基因進(jìn)入人體最直接和最主要的途徑。當(dāng)人們攝入生食的蔬菜,、水果等時(shí), 蔬果攜帶的抗性細(xì)菌和抗性基因?qū)⒅苯舆M(jìn)入人體, 從而對(duì)人類健康造成潛在威脅,。隨著全球經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展, 農(nóng)產(chǎn)品中的抗性基因隨著食物的加工、保存和全球運(yùn)輸, 可以迅速在全球范圍內(nèi)傳播和擴(kuò)散, 引發(fā)公共安全風(fēng)險(xiǎn), 從而影響星球健康,。

面向人類未來可持續(xù)發(fā)展問題, 2015《柳葉刀》（The Lancet）雜志社組織全球?qū)＜倚纬闪岁P(guān)于“星球健康”的專題報(bào)告,。該報(bào)告指出, 星球健康是一個(gè)新的研究領(lǐng)域, 它將自然環(huán)境與人類健康相聯(lián)系。 “星球健康”認(rèn)為, 人類健康及其福祉與星球系統(tǒng)有著千絲萬縷的聯(lián)系, 需要保護(hù)自然環(huán)境的完整性, 以確保人類長(zhǎng)期持續(xù)的健康,。

“星球健康”特別強(qiáng)調(diào)將過程與現(xiàn)象相聯(lián)系, 可能這些現(xiàn)象與過程按照傳統(tǒng)角度來看似乎沒有聯(lián)系,。例如, 大氣中CO₂濃度升高可能導(dǎo)致農(nóng)作物微量元素的稀釋, 但人體攝入的農(nóng)作物總量不變, 這可能導(dǎo)致人體微量元素的缺乏。因此, 需要多學(xué)科的交叉研究來揭示復(fù)雜和跨領(lǐng)域的問題, 從而更好地管理自然生態(tài)系統(tǒng), 保障人類的健康與福祉,。因此, 本文首先總結(jié)了我國(guó)在土壤（包括土壤動(dòng)物腸道）和植物微生物組中抗性組的重要研究進(jìn)展, 強(qiáng)調(diào)了抗性基因流在土壤-植物系統(tǒng)中的流動(dòng), 最后提出了通過管理土壤-植物系統(tǒng)中的抗性基因流來保障星球健康的方案, 并提出了未來的研究方向,。

土壤是地球上生物多樣性最高的棲息地, 其中最活躍的成分是土壤微生物, 1?g土壤中包含上百萬細(xì)菌、數(shù)十萬真菌孢子及數(shù)萬原生動(dòng)物,。這些微生物在代謝過程中, 不斷產(chǎn)生各種次級(jí)代謝產(chǎn)物, 用于種間交流和資源競(jìng)爭(zhēng), 如抗生素,、毒素、色素等,。當(dāng)前臨床中使用的大部分抗生素都來源于土壤中的細(xì)菌和真菌, 其中放線菌是土壤中最大的細(xì)菌門之一, 占土壤微生物種群的13%~30%, 產(chǎn)生了已知抗生素的2/3,。

根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可以將抗生素分為內(nèi)酰胺、氨基糖苷,、核苷、四環(huán)素,、多肽,、糖肽、大環(huán)內(nèi)酯等種類,?？股乜梢砸志鷼⒕? 還可以作為抗癌藥、抗寄生蟲藥、除草劑等, 在醫(yī)療,、工業(yè),、農(nóng)牧漁業(yè)和環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域均發(fā)揮重要作用。但因抗生素大量濫用造成抗性菌的蔓延和傳統(tǒng)分離技術(shù)應(yīng)用的限制, 抗生素的發(fā)展進(jìn)入了停滯期,。近年來, 隨著分子生物學(xué)及多組學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展, 有望在土壤及其他環(huán)境中分離新的活性物質(zhì), 突破抗生素發(fā)展的瓶頸,。

1.2 土壤是環(huán)境中抗生素抗性基因的重要儲(chǔ)存庫

(1) 抗性基因的本底值（內(nèi)在抗性）?？剐跃鷮?duì)抗生素的抗性來源于位于染色體或者可移動(dòng)基因元件上的抗性基因,。與傳統(tǒng)的化學(xué)污染物不同, ARGs可在同種甚至不同種細(xì)菌之間進(jìn)行轉(zhuǎn)移和傳播, 影響抗生素的治療效果, 已被列為一種新型環(huán)境污染物?？剐詸C(jī)制主要包括以下4類（圖1）: (ⅰ) 使抗生素失活: 降解抗生素或取代活性基團(tuán); (ⅱ) 抗性突變: 突變修飾抗生素的結(jié)合靶位(目標(biāo)蛋白), 使抗生素結(jié)合位點(diǎn)失效, 但保持蛋白質(zhì)的細(xì)胞功能不變; (ⅲ) 外排泵: 通過藥物外排泵將抗生素排出細(xì)胞; (ⅳ) 多糖屏障: 在細(xì)胞膜上形成屏障等,。

圖1 革蘭氏陰性菌的抗生素耐性機(jī)制

土壤環(huán)境中存在大量天然抗生素, 例如, 最早的抗生素之一鏈霉素就來自于土壤。盡管這些抗生素的濃度很低, 但仍可作為微生物種群之間或種群內(nèi)的信號(hào)分子, 形成一定的環(huán)境壓力, 使微生物種群獲得抗性, 因此土壤中的微生物群落普遍存在內(nèi)在抗性基因,。例如, 在沒有人為活動(dòng)施加影響的阿拉斯加凍土中, Allen等人通過功能性宏基因組分析首次發(fā)現(xiàn)了雙功能的β內(nèi)酰胺酶基因,。這表明一些ARGs是自然存在于土壤環(huán)境中的, 與人類活動(dòng)造成的選擇壓力無關(guān)。對(duì)30000年前凍土的DNA進(jìn)行宏基因組分析, Galán等人發(fā)現(xiàn), 內(nèi)在抗性基因組具有高度多樣性, 其中一些基因編碼對(duì)多種藥物具有抗性, 比如β-內(nèi)酰胺類,、糖肽和四環(huán)素類抗生素,。

(2) 外源輸入。作為20世紀(jì)最重要的醫(yī)學(xué)發(fā)現(xiàn)之一, 抗生素自發(fā)現(xiàn)之日起就被大量投入生產(chǎn)和使用, 廣泛應(yīng)用于人類醫(yī)療,、動(dòng)物畜牧養(yǎng)殖以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中,。目前, 在全球范圍內(nèi), 抗生素濫用的情況十分嚴(yán)重。根據(jù)美國(guó)疾病預(yù)防控制中心統(tǒng)計(jì), 人類使用的抗生素中有多達(dá)50%是不必要或不恰當(dāng)?shù)??？股貫E用對(duì)細(xì)菌造成了持續(xù)性的選擇壓力, 促進(jìn)了ARGs在多種病原體和共生微生物中的形成和擴(kuò)散。有研究表明, ARGs在微生物之間主要通過由噬菌體介導(dǎo)的轉(zhuǎn)導(dǎo),、可移動(dòng)性基因元件(mobile genetic elements)介導(dǎo)的接合及游離DNA的轉(zhuǎn)化進(jìn)行傳播,。Peterson和Kaur發(fā)現(xiàn), 土壤中的本土耐藥微生物不再能代表土壤微生物種群中的大多數(shù)耐藥生物。相反, 土壤中的微生物越來越多地從人類活動(dòng)中獲得抗性,。

污水處理廠是土壤中ARGs的主要人為來源,。醫(yī)療廢水、生活廢水及工業(yè)廢水中的抗生素,、ARGs很難在城市污水處理廠中被完全消除,。我國(guó)科學(xué)家在我國(guó)污水處理廠的污泥及出水中檢測(cè)到超過200類ARGs, 這些ARGs即會(huì)隨著再生水灌溉、污泥施用進(jìn)入城市及農(nóng)田土壤中,。

例如, 王鳳花等人采用高通量定量PCR技術(shù)在經(jīng)再生水灌溉的公園土壤中檢測(cè)出147種抗性基因, 這些基因與對(duì)廣譜抗生素的抗性有關(guān), 其中最豐富的是抗β抗內(nèi)酰胺(18.4%~30%)類,、FCA類(氟喹諾酮、喹諾酮,、氟苯尼考,、氯霉素、酰胺醇)(12.5%~22%)、氨基糖苷類(7.5%~19.4%)抗性基因, 與未經(jīng)再生水灌溉的對(duì)照土壤相比, 抗性基因豐度的富集范圍從99到8655倍不等, 值得注意的是, 多重耐藥類抗性基因如qacEdeltal-02富集了800倍, 這類抗性基因在土壤環(huán)境中的擴(kuò)散傳播可能會(huì)引起微生物對(duì)其他乃至新型抗生素的抗性, 導(dǎo)致抗生素失效,。

施用污泥的農(nóng)田土壤中同樣檢測(cè)到較高豐度的抗性基因, 更為重要的是, 一些抗性基因如aadA, tet(W)等在施用污泥119天后仍然可以檢測(cè)到, 表現(xiàn)出較高的傳播風(fēng)險(xiǎn), 同時(shí)高豐度的轉(zhuǎn)座子intI 1也通過定量PCR檢測(cè)到, 這類整合子通常攜帶多個(gè)抗性基因, 可能會(huì)使抗性基因轉(zhuǎn)移到人類致病菌中, 危害人類健康,。

抗生素在動(dòng)物畜牧養(yǎng)殖業(yè)中大量應(yīng)用, 有研究發(fā)現(xiàn), 40%~90%的飼用抗生素以原化合物或具有生物活性的代謝產(chǎn)物的形式隨動(dòng)物糞便排出; 另外, 抗生素的應(yīng)用會(huì)使動(dòng)物腸道內(nèi)積累豐富的ARGs, 因此糞肥農(nóng)用可能是ARGs進(jìn)入土壤環(huán)境的重要途徑。

研究表明, 在施用豬糞的農(nóng)田土壤中, 檢測(cè)到較高水平的ARGs和MGEs(mobile genetic elements),。通過使用高通量熒光定量PCR技術(shù), 朱永官團(tuán)隊(duì)分析了國(guó)內(nèi)北京,、浙江和福建三個(gè)大型商業(yè)養(yǎng)豬場(chǎng)附近土壤的抗性基因, 發(fā)現(xiàn)因施糞肥引起的抗生素殘留的土壤樣品中有63種ARGs的豐度顯著高于對(duì)照土壤, 最高達(dá)21600倍; 同時(shí)MGEs的豐度與ARGs的總豐度呈顯著正相關(guān), 這暗示著由MGEs介導(dǎo)的水平基因轉(zhuǎn)移可能是引起ARGs富集的重要原因。

空氣污染也可能通過干濕沉降將ARGs引入土壤,。我國(guó)學(xué)者調(diào)查研究了ARGs在全球19個(gè)城市空氣中的分布情況, 發(fā)現(xiàn)大環(huán)內(nèi)酯類和喹諾酮類抗性基因是空氣中最豐富的ARGs, 并強(qiáng)調(diào)了城市空氣傳播ARGs的潛在風(fēng)險(xiǎn),。

最近的一項(xiàng)研究也發(fā)現(xiàn), 北京、天津及石家莊的城市灰塵樣品中ARGs的濃度高達(dá)每克灰塵106.4拷貝, 且會(huì)通過風(fēng)力等因素進(jìn)行傳播,。這些在空氣中的ARGs和其他污染物可能會(huì)跨越地理障礙進(jìn)行長(zhǎng)距離運(yùn)輸, 甚至沉降到偏遠(yuǎn)地區(qū)的土壤中, 從而加劇土壤中ARGs的擴(kuò)散,。

同時(shí), 土壤污染物和微生物也可能被霧化到空氣中, 并進(jìn)一步加劇ARGs在空氣中的傳播。ARGs通過顆粒物從土壤遷移到空氣, 高污染土壤中ARGs在土-氣中的遷移趨勢(shì)更加明顯, 土壤含水率升高會(huì)降低ARGs的土-氣遷移趨勢(shì),。

此外, 土壤微生物對(duì)環(huán)境變化的響應(yīng)存在物種差異, 這導(dǎo)致人類活動(dòng)對(duì)ARGs的影響在不同地區(qū)也有所區(qū)別,。如施用污泥堆肥后, 土壤類型對(duì)抗性基因的擴(kuò)散有顯著影響，污泥堆肥172天后, 與對(duì)照組樣品相比, 江西紅土中抗性基因的風(fēng)險(xiǎn)并未增加, 而山西黃土,、吉林黑土中的抗性基因則顯著增加,。驅(qū)動(dòng)不同土壤抗性基因變化的因素也不盡相同, 堆肥導(dǎo)致微生物群落的變化是影響江西紅土和吉林黑土中抗性基因變化的主要因素, 而山西黃土中的可移動(dòng)基因元件占主導(dǎo)地位, 這表明堆肥處理在山西黃土中具有更高的抗性傳播風(fēng)險(xiǎn)。

同時(shí), 除抗生素外, 一些非抗生素類物質(zhì), 如重金屬,、人類藥物等, 會(huì)顯著促進(jìn)抗性基因在土壤中的擴(kuò)散,。胡行偉等人通過高通量定量PCR發(fā)現(xiàn), 銅污染(0~800?mg/kg)4~5年的農(nóng)田土壤含有更多種抗性基因, 以多耐藥性抗性基因和內(nèi)酰胺類抗生素抗性基因?yàn)橹? 同時(shí)抗性基因的多樣性和相對(duì)豐度受銅濃度的影響顯著, 在中度污染(100~200?mg/kg)的紅土和重度污染(400~800?mg/kg)的潮土中最高, 且與可移動(dòng)基因元件的豐度呈顯著正相關(guān); 結(jié)構(gòu)方程模型進(jìn)一步證明, 銅污染通過影響土壤中的微生物群落和可移動(dòng)基因元件驅(qū)動(dòng)了抗性基因的變化, 表明田間實(shí)際條件下, 長(zhǎng)期銅污染將會(huì)極大地改變土壤中抗性基因的多樣性、豐度并促進(jìn)傳播,。在污染物的脅迫下, 土壤中的抗性菌會(huì)通過選擇過程進(jìn)行富集, 并成為土壤微生物中的優(yōu)勢(shì)菌群,。這些抗性菌中的ARGs又可以通過水平基因轉(zhuǎn)移(horizontal gene transfer)傳遞到敏感菌, 在土壤微生物群中傳播抗性。因此, 土壤是ARGs內(nèi)在抗性和獲得抗性的一個(gè)重要儲(chǔ)存庫, 土壤的安全對(duì)人類和星球的健康變得越來越重要, 也逐步受到重視,。

由于土壤微生物組中內(nèi)在抗性的普遍存在, 因此, 區(qū)分自然產(chǎn)生的抗生素抗性基因與人為污染的抗生素抗性基因(包括類型,、含量、傳播,、風(fēng)險(xiǎn),、效應(yīng)等)顯得尤其重要。許多抗生素抗性基因與臨床以及農(nóng)業(yè)中抗生素的使用密切相關(guān), 自然與人為污染產(chǎn)生的抗性基因可以得到一定程度的區(qū)分, 但對(duì)其生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)還未有系統(tǒng)的研究,。

1.3 土壤動(dòng)物微生物組中的抗性組: 一個(gè)“隱藏”的庫

土壤中生活著豐富的,、種類多樣的動(dòng)物, 它們是土壤生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分。在長(zhǎng)期的演化過程中, 這些動(dòng)物體內(nèi)往往定殖著獨(dú)特的微生物類群,。近些年, 土壤動(dòng)物微生物組研究受到中國(guó)學(xué)者的廣泛關(guān)注, 初步取得了一些階段性成果,。

土壤動(dòng)物體內(nèi)獨(dú)特的生態(tài)位往往使得其微生物類群不同于周圍環(huán)境。研究發(fā)現(xiàn), 不同于其他無脊椎動(dòng)物(如蜜蜂,、果蠅等), 土壤動(dòng)物體內(nèi)含有豐富的微生物類群, 且在土壤動(dòng)物如跳蟲腸道中已分離到豐富多樣的抗菌物質(zhì)。這提示, 土壤動(dòng)物微生物組中可能含有多樣的抗性組(圖2)。一項(xiàng)關(guān)于野外不同土地利用方式的調(diào)查研究顯示, 典型土壤動(dòng)物跳蟲微生物組中含有豐富多樣的抗性基因, 且土地利用方式可以影響其體內(nèi)抗性基因的組成,。

圖2 土壤動(dòng)物微生物組中的抗性組

進(jìn)一步分析表明, 其體內(nèi)的抗性基因豐度與多樣性與土壤的施肥歷史緊密相關(guān),。在一項(xiàng)位于山東德州的長(zhǎng)期污泥農(nóng)用的野外定位實(shí)驗(yàn)研究中, 學(xué)者們也發(fā)現(xiàn), 長(zhǎng)期施用污泥或雞糞顯著增加了土壤動(dòng)物蚯蚓腸道中的抗性基因豐度。同時(shí)室內(nèi)培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)也證實(shí), 豬糞施用后會(huì)顯著增加土壤動(dòng)物線蟲,、跳蟲和捕食性螨微生物組中的抗性組, 且抗性基因會(huì)在土壤食物鏈中傳遞,。

學(xué)者們也考察了不同污染物的作用發(fā)現(xiàn), 抗生素會(huì)顯著增加土壤動(dòng)物腸道中的抗性基因豐度, 但納米銀可減少土壤動(dòng)物腸道中的抗性基因豐度。這表明, 不同污染物對(duì)土壤動(dòng)物腸道微生物的影響不同, 但需要更多的研究揭示其抗性組改變的機(jī)制,。此外, 土壤食物網(wǎng)中抗性基因豐度的增加會(huì)產(chǎn)生何種生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)需要進(jìn)一步的研究,。

土壤動(dòng)物微生物組中的抗性組也可能通過其活動(dòng)擴(kuò)散到其他區(qū)域如根際, 從而影響植物微生物組中的抗性組?？傮w來說, 目前已經(jīng)初步揭示了主要土壤動(dòng)物微生物組中的抗性組, 但對(duì)于抗性組變化的深層次生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)還未有系統(tǒng)深入的探討,。由于土壤動(dòng)物微生物組也是土壤微生物組的重要組成部分, 其抗性基因的變化將影響全球的抗性基因的動(dòng)態(tài), 從而影響星球健康。

1.4 土壤病毒組中的抗性組: 一個(gè)“移動(dòng)”的庫

土壤是微生物的主要棲息地, 微生物受到各種各樣的病毒侵染, 因此土壤也是病毒的主要分布場(chǎng)所,。且病毒是地球上最豐富的生物實(shí)體, 土壤病毒組是土壤微生物組的重要組成部分,。其中噬菌體是土壤中最豐富的病毒類群。

多項(xiàng)研究已經(jīng)表明, 環(huán)境樣品的噬菌體基因組攜帶有豐富多樣的抗性基因, 可作為ARGs的一個(gè)重要儲(chǔ)存庫,。例如, 從新鮮收割的蔬菜(生菜,、菠菜和黃瓜)和農(nóng)田土壤分離得到的噬菌體中均能檢測(cè)到抗性基因; 在對(duì)使用牛糞和污泥進(jìn)行改良土壤的研究中, 也在其噬菌體中檢測(cè)到抗性基因。同時(shí)在選擇壓力下, 噬菌體可以介導(dǎo)ARGs的水平轉(zhuǎn)移, 又是ARGs的一個(gè)可移動(dòng)的庫,。

我國(guó)學(xué)者研究發(fā)現(xiàn), 噬菌體中tet基因的豐度與細(xì)菌中tet的豐度顯著正相關(guān),。同時(shí)考慮到噬菌體在土壤中具有相當(dāng)高的豐度, 其促進(jìn)ARGs在土壤細(xì)菌中轉(zhuǎn)移的作用不容忽視, 未來的研究應(yīng)該對(duì)其有更多的關(guān)注。土壤抗性基因的研究到現(xiàn)階段, 已基本明確土壤中抗性基因的種類與豐度, 但對(duì)其可移動(dòng)部分抗性基因的認(rèn)知還很缺乏, 因此很難對(duì)抗性基因的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行合理評(píng)估, 而土壤病毒組中抗性基因的研究可以為其提供合適的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與理論支持,。

植物和所有的真核生物一樣被周圍環(huán)境中的微生物包圍,。這些微生物包括細(xì)菌、真菌和原生生物, 可以定殖于植物的表面和組織內(nèi)部, 對(duì)宿主植物的功能和環(huán)境適應(yīng)性發(fā)揮著至關(guān)重要的作用 這些微生物以及所包含的遺傳信息統(tǒng)稱為植物微生物組(plant microbiome),。

依據(jù)微生物所處的位置, 可將植物微生物組分為葉際微生物組(phyllosphere microbiome),、根際微生物組(rhizosphere microbiome )以及內(nèi)生微生物組(endophytes microbiome)。

葉際微生物是指定殖于植物的地上部分或暴露于空氣中的植物組織或器官包括莖表面(caulosphere),、花表面(anthosphere),、果實(shí)表面(carposphere)和葉表面(phylloplane)的微生物。全球植物的葉際面積估算約10⁹?km², 幾乎是陸地面積的兩倍, 其上定殖有數(shù)百種微生物, 其中大部分為細(xì)菌, 而且僅細(xì)菌本身就達(dá)10⁶~10⁷?cells/cm, 而在全球范圍內(nèi)葉際細(xì)菌的豐度可能超過10²⁶?cells,。目前尚缺乏關(guān)于葉際微生物中真菌豐度的數(shù)據(jù), 但估計(jì)要比細(xì)菌低得多,。不同植物葉際微生物群落組成差異性很大, 并易受到周圍環(huán)境包括水分、氣流,、陽光輻射等因子的影響,。此外, 葉際微生物被認(rèn)為是植物與大氣環(huán)境交互響應(yīng)的媒介, 也與人類微生物組間發(fā)生密切的交流。

根際微生物定殖于植物根系周圍的土壤, 其周圍土壤受到根系分泌物的影響,。根際微生物的數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過宿主植物本身, 根際微生物的數(shù)量可達(dá)10¹¹?cells/g根, 原核微生物的種類超過30000種,。根際微生物因土壤類型或植物類型的不同而不同, 根際微生物群落的形成由土壤理化性質(zhì),、植物根系分泌物、植物內(nèi)生菌和植物激素等因素共同影響,。

植物內(nèi)生微生物定殖于植物組織內(nèi)部, 包括細(xì)菌和真菌,。植物內(nèi)生微生物的多樣性主要受寄主植物種類的影響, 此外, 外部環(huán)境包括土壤性質(zhì)也可能對(duì)內(nèi)生微生物產(chǎn)生影響。

2.2 植物微生物組與宿主的關(guān)系

植物微生物組被認(rèn)為是植物的“第二基因組”(secondary genome)對(duì)植物的表型包括植物生長(zhǎng)和病蟲,、病原微生物的抵抗起著重要的作用,。由于植物微生物組與植物本身密不可分, 近年來共生功能體(holobiont)的概念被提出, 以表明植物微生物與宿主植物的關(guān)系。宿主植物通過根系系統(tǒng)從土壤中獲取營(yíng)養(yǎng)元素, 在功能上類似于動(dòng)物的腸道,。

越來越多的研究表明, 根際微生物的組成和遺傳信息的多樣性以及與宿主植物的相互作用, 對(duì)植物的生長(zhǎng)和降低對(duì)病蟲害(包括病毒,、病原菌、真菌及線蟲)的敏感性起重要作用,。植物微生物可以增加宿主微生物的表型從而增強(qiáng)宿主對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力,。研究表明, 宿主植物可能進(jìn)化出一些招募以及維持植物微生物組的能力, 比如誘導(dǎo)、刺激或抑制等行為,。因此, 植物和植物微生物組直接存在著共進(jìn)化的關(guān)系,。

2.3 植物微生物組與人類健康

植物微生物組是連接人類腸道微生物組和環(huán)境微生物組的橋梁, 也是人類接觸環(huán)境抗生素抗性組(resistome)的主要途徑之一。目前, 關(guān)于抗生素抗性組在非臨床環(huán)境中的研究主要集中于土壤和水體環(huán)境, 關(guān)于植物微生物組對(duì)抗性基因擴(kuò)散的影響仍處于起步階段,。植物微生物對(duì)抗性基因的傳播可通過食物鏈傳遞和綠色空間接觸進(jìn)行,。食物攝入是人類接觸環(huán)境微生物組和抗性組的主要方式, 這一過程中植物微生物組起著重要的作用。

研究表明, 植物可以吸收施用過有機(jī)肥土壤中的抗生素, 從而對(duì)植物微生物組中的抗性基因起到選擇和富集的作用,。此外, 一些含有抗性基因的微生物可以通過土壤-根系系統(tǒng)最終進(jìn)入到植物的內(nèi)生微生物組和葉際微生物組,。我國(guó)學(xué)者通過高通量熒光定量PCR在植物微生物組中檢測(cè)到上百個(gè)抗性基因, 并且發(fā)現(xiàn)有機(jī)肥的施用顯著增加了葉際微生物中抗性基因的多樣性和豐度。一項(xiàng)最近的研究也表明, 糞肥的施用可以增加植物微生物組中的抗性基因, 且存在人類食物鏈傳遞的風(fēng)險(xiǎn),。大部分含有抗性基因的植物微生物不具有致病性(non-pathogenic), 但通過水平轉(zhuǎn)移這些抗性基因可能擴(kuò)散到人類的致病菌中, 從而對(duì)人類的健康構(gòu)成潛在的威脅,。

隨著城市化水平的不斷提高, 城市綠色空間(公園)成為人類活動(dòng)和娛樂的重要場(chǎng)所之一。研究表明, 人類多接觸自然環(huán)境可以改變?nèi)祟愇⑸锝M的多樣性有益于人體健康,。但也有研究表明, 城市綠色空間的植物微生物組中含有大量的抗性基因, 比如在城市綠色空間中的草坪微生物組中檢測(cè)到超過200種抗性基因, 而這些抗性基因的分布與人類活動(dòng)尤其是工業(yè)的分布顯著相關(guān),。此外, 大量的抗性基因在城市中水灌溉的公園土壤中被檢測(cè)到, 這些抗性基因也可能通過水平轉(zhuǎn)移進(jìn)入到植物微生物組中, 從而增加了人類與抗性基因和抗性微生物的接觸。因此, 城市綠色空間中的微生物和抗性基因應(yīng)該引起足夠的重視和關(guān)注, 這也與星球健康密切相關(guān),。

圖3 土壤生態(tài)系統(tǒng)中抗性基因的擴(kuò)散

3.1 土壤微生物組和植物微生物組的交流

土壤微生物組具有地球上最為復(fù)雜的群落, 它們?yōu)橹参锾峁┝素S富的“微生物種子庫”,。土壤微生物向植物的遷移主要通過根際到達(dá)根表和葉際, 最終進(jìn)入植物體內(nèi),。根際被看作是植物微生物組的“生長(zhǎng)室”。這1~2?mm的狹小空間是植物-微生物交互作用最為強(qiáng)烈的區(qū)域,。植物根系通過根際沉積將大量的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和能量輸入到土壤, 增強(qiáng)了土壤微生物活性并形成了特異性的微生物群落, 同時(shí)微生物活性的增強(qiáng)加快了營(yíng)養(yǎng)元素的循環(huán)從而促進(jìn)植物對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素的吸收,。根際也因此成為土壤中微生物活動(dòng)的熱區(qū), 并促進(jìn)了微生物向根表移動(dòng)。

根表是土壤微生物特殊的棲息地或者微生物移動(dòng)的過渡邊界, 僅有一些土壤微生物在經(jīng)過根際選擇和根表特異環(huán)境的二次選擇后最終棲息于此,。另外, 植物根系在其生長(zhǎng)過程中會(huì)導(dǎo)致根表細(xì)胞的分離, 從而為根際微生物或者根表微生物進(jìn)入植物體內(nèi)提供了通道, 一部分土壤微生物在經(jīng)過重重的選擇后成為植物的內(nèi)生菌,。

葉際也是土壤微生物和植物微生物交流的重要場(chǎng)所, 葉際微生物往往要暴露于劇烈波動(dòng)的溫度,、濕度、光照條件和貧營(yíng)養(yǎng)環(huán)境下, 其多樣性往往要低于土壤微生物和根際微生物,。除去大氣來源, 土壤微生物仍然是其組成的重要部分,。灌溉以及土壤揚(yáng)塵都會(huì)造成一部分土壤微生物棲息于植物葉際。同時(shí), 土壤微生物也會(huì)沿著植物根,、莖遷移至葉際。土壤動(dòng)物在土壤微生物組和植物微生物的交流中也扮演著重要角色,。土壤動(dòng)物在其遷移或者取食過程中會(huì)增加土壤微生物向植物的遷移,。例如, 研究表明, 線蟲對(duì)根系的取食會(huì)為土壤微生物進(jìn)入植物體開辟通道。

3.2 土壤抗性組和植物抗性組的相互作用

土壤微生物組與植物微生物組的交流會(huì)直接導(dǎo)致含有抗生素抗性基因的抗性菌從土壤微生物組向植物微生物組的遷移, 特別是含有高豐度抗性基因的有機(jī)肥施入土壤后, 會(huì)促進(jìn)抗性菌向植物微生物組的遷移,。陳青林等人通過長(zhǎng)期定位實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn), 污泥和雞糞的長(zhǎng)期施用增加了玉米葉際抗生素抗性基因的多樣性和豐度,。

最近的盆栽實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證實(shí), 豬糞的添加增加了小麥和水稻葉表的抗性基因的多樣性和豐度。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn), 這些抗性基因的增加可能來源于有機(jī)肥中的抗性基因,。比如, 陳青林等人利用鳥糞石添加實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn), 葉際中30類抗生素抗性基因與鳥糞石中的抗生素抗性基因?qū)Ｒ恍缘毓蚕? 說明鳥糞石中抗性基因通過土壤微生物組和植物微生物組的交流進(jìn)入植物微生物組,。

同樣有研究發(fā)現(xiàn), 有機(jī)肥施用后抗生素抗性基因sulI, sulII, tetC和tetG在生菜的內(nèi)生菌及其葉際微生物中都有檢測(cè)到, 從而證實(shí)了抗性菌從植物體向葉際的傳輸途徑。以上研究都證實(shí), 土壤微生物和植物微生物以及植物的地下微生物和地上微生物間的相互聯(lián)系, 這些聯(lián)系是抗性基因在植物-土壤系統(tǒng)中流動(dòng)的潛在途徑,。

基因的水平轉(zhuǎn)移是環(huán)境中抗性基因擴(kuò)散的重要方式之一,。相關(guān)研究在多種植物的葉際都發(fā)現(xiàn)了不同種類的可移動(dòng)遺傳元件, 并且其豐度與抗生素抗性基因的豐度存在顯著的正相關(guān)性, 說明基因的水平轉(zhuǎn)移造成了抗生素抗性基因在葉際的擴(kuò)散。已有研究證實(shí), 植物葉際環(huán)境有利于質(zhì)粒的水平轉(zhuǎn)移, 從而加速抗生素抗性基因在土壤-植物系統(tǒng)中的流動(dòng),。以上研究說明, 基因的水平轉(zhuǎn)移有助于抗生素抗性基因在土壤-植物系統(tǒng)中的流動(dòng),。

3.3 抗性基因在土壤生態(tài)系統(tǒng)中流動(dòng)的潛在健康風(fēng)險(xiǎn)

葉菜類蔬菜的生食是土壤抗性菌進(jìn)入人體的潛在途徑。研究表明, 有機(jī)生產(chǎn)的蔬菜中檢測(cè)到的抗性基因要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于普通蔬菜, 其豐度可能是普通蔬菜的8倍, 并且這些抗性基因涵蓋了所有種類的抗生素抗性基因,。另外, 這些用于上述實(shí)驗(yàn)的生菜直接購買于普通的超級(jí)市場(chǎng), 進(jìn)一步說明這種潛在風(fēng)險(xiǎn)的廣泛存在,。人類對(duì)生食蔬菜的需求是不可避免的, 清洗可能是減少這種風(fēng)險(xiǎn)的有效途徑, 而從源頭上治理即減少抗性基因在土壤-植物系統(tǒng)中的流動(dòng)才是控制和減少人體暴露抗性基因的根本方式。因此, 未來研究中需要更多地關(guān)注土壤-植物系統(tǒng)中抗性基因的流動(dòng),。

通過比較使用抗生素與控制抗生素使用的豬糞農(nóng)用發(fā)現(xiàn), 控制抗生素使用的處理中, 水稻和小麥葉際的抗性基因豐度顯著低于正常使用抗生素的處理,。這表明控制飼料中抗生素的使用是控制抗性基因污染的一個(gè)最為直接的手段,。

周雪等人的研究表明, 如果糞肥中含有較高豐度的抗性基因, 將豬糞等有機(jī)物料燒制成生物炭, 再進(jìn)行農(nóng)用可以顯著降低有機(jī)肥施用所帶來的抗性基因污染風(fēng)險(xiǎn)。陳青林等人也通過盆栽實(shí)驗(yàn)表明, 生物炭的施用可以降低土壤和作物中抗性基因的豐度,。安新麗等人的研究進(jìn)一步表明, 生物炭的添加可以減少一類整合子基因盒中的抗性基因豐度, 這將減少抗性基因轉(zhuǎn)移的風(fēng)險(xiǎn),。最近丁晶等人的研究表明, 雖然生物炭可以減少土壤中的抗性基因豐度, 但由于豬糞污泥等材料中往往含有豐富的重金屬等物質(zhì)可能引起土壤動(dòng)物腸道內(nèi)抗性基因增加的風(fēng)險(xiǎn),。

這些研究表明, 將豬糞等有機(jī)物料燒制成生物炭, 雖然可以明確降低土壤和植物微生物組中的抗性基因豐度, 但是可能增加取食生物炭的土壤動(dòng)物腸道中的抗性基因增加的風(fēng)險(xiǎn)。調(diào)控土壤微生物及動(dòng)物的多樣性也是管理抗性基因流的一項(xiàng)重要途徑,。

陳青林等人的研究表明, 土壤微生物多樣性可明顯影響抗性基因的擴(kuò)散,。朱冬等人的研究表明, 土壤動(dòng)物跳蟲的活動(dòng)會(huì)增加豬糞引入的抗性基因的擴(kuò)散。此外, 噬菌體療法控制抗性基因最近得到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注, 但這些研究仍在起步階段,。土壤生態(tài)系統(tǒng)中的生物是相互聯(lián)系的, 一個(gè)問題的解決需要考慮多種因子的相互作用,。因此, 需要在土壤-微生物-動(dòng)物-植物整體系統(tǒng)中管理抗性基因流, 從而更加全面地保證星球健康。

(1) 雖然已經(jīng)證實(shí)土壤-植物系統(tǒng)是抗性基因傳播的潛在重要途徑, 但是對(duì)土壤-植物系統(tǒng)中抗性基因傳播的關(guān)鍵問題尚不清楚, 如發(fā)生高頻傳播的抗性基因類型、不同土壤-植物系統(tǒng)中抗性基因傳播的共性和個(gè)性, 以及土壤動(dòng)物對(duì)抗性基因傳播的影響等,。

(2) 現(xiàn)有研究主要關(guān)注抗性基因的整體豐度, 對(duì)其可移動(dòng)部分抗性基因的豐度與風(fēng)險(xiǎn)仍知之甚少, 且對(duì)抗性基因轉(zhuǎn)移進(jìn)入典型或潛在病原菌的頻率也不清楚,。

(3) 農(nóng)用抗生素也是環(huán)境抗生素的重要組成部分, 且大多為生物農(nóng)藥, 來源于微生物, 在使用過程中直接作用于植物, 進(jìn)入土壤。雖有研究表明其可促進(jìn)抗性基因的產(chǎn)生, 但未有系統(tǒng)深入的研究, 未來應(yīng)得到更多的關(guān)注,。

(4) 抗性基因在環(huán)境中傳播的風(fēng)險(xiǎn)已被認(rèn)識(shí), 但如何客觀地評(píng)價(jià)其健康風(fēng)險(xiǎn)并制定相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)是面臨的一個(gè)挑戰(zhàn),。

(5) 如何控制抗性基因在環(huán)境中的傳播, 中國(guó)科學(xué)家們進(jìn)行了多種嘗試, 但這些措施的野外效果如何, 以及土壤性質(zhì)對(duì)其的影響仍需要更多的研究與實(shí)踐。