東北地理所在PNAS發文揭示極端氣候事件影響土壤抗生素抗性基因的新規律
抗微生物藥物耐藥性（AMR）是全球公共衛生面臨的重要挑戰。土壤是環境中抗生素抗性基因（ARGs）的重要儲存庫。隨著氣候變暖，干旱、洪澇和熱浪等極端氣候事件日益頻繁。然而，這些短期劇烈擾動對土壤ARGs的影響尚不明確。
為探討極端氣候事件對土壤抗性組的影響，東北地理所環境生態學科組于泳團隊聯合德國柏林自由大學Matthias Rillig教授、荷蘭阿姆斯特丹大學Franciska T. de Vries教授等國內外科研人員，基于跨國受控實驗的宏基因組數據開展研究。研究人員比較了極端氣候事件擾動結束時與恢復4周后的抗生素抗性基因、可移動遺傳元件、毒力因子基因和微生物功能基因的變化，結合結構方程模型和采用空間交叉驗證的隨機森林模型，解析土壤抗性組對不同極端事件的響應規律及其與環境因素的關系，并評估這些響應的可預測性。
圖1. 土壤中ARGs、可移動遺傳元件（MGEs）和毒力因子（VFGs）的組成模式及其對模擬極端氣候的響應。
研究發現，土壤抗性組具有顯著的空間異質性，盡管響應幅度受到當地氣候和土壤背景的明顯調節，同一類極端事件仍在不同站點表現出一定的一致性。
圖2. 極端氣候事件對ARGs的影響
進一步研究發現，干旱、洪澇和凍融引起的總體變化較弱，與其他處理相比，熱浪引起了最明顯、方向較為一致的ARGs變化，總體表現為ARGs豐度下降。
圖3 根據氣候背景和土壤性質預測ARGs對極端氣候事件的響應模型
功能基因分析顯示，熱浪處理下，與細胞壁和細胞膜構建、胞外結構及信號轉導有關的功能增強，而氨基酸和碳水化合物轉運與代謝功能下降。結合ARGs豐度及ARGs–MGEs關聯減弱的結果，研究提出“代謝—遺傳權衡”的解釋框架：急性熱脅迫可能促使微生物優先維持細胞結構和脅迫響應，從而不利于部分附屬抗性性狀的維持與潛在傳播。進一步分析表明，抗性組的即時響應主要與土壤pH、平均和最高溫度以及碳氮狀態相關；恢復階段的差異則與土壤含水量、持水能力及當地溫度和降水的季節變異有關。本研究中，隨機森林模型可根據氣候背景和土壤性質，較好地預測極端氣候事件后土壤抗性基因組成的變化幅度。
該研究從跨區域尺度揭示了極端氣候事件影響土壤抗性組的差異化規律，改變了“氣候變化促進ARGs增加”的簡單認識，表明短期極端事件可能引起增益、中性或抑制性響應，其結果取決于事件類型和環境背景。為預測不同氣候背景下土壤抗性組的變化提供了科學依據。
研究成果近期以“Extreme climatic events drive consistent and predictable shifts in soil antibiotic resistance genes”為題發表于國際頂級期刊Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS)。論文第一作者為東北地理所徐光輝博士，通訊作者為東北地理所于泳研究員和荷蘭阿姆斯特丹大學Franciska T. de Vries教授。中國科學院東北地理與農業生態研究所為本論文第一單位和通訊單位。
研究得到國家自然科學基金（U23A6001、42377282、42307045）等項目的資助及合作方支持。
文章鏈接：www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2612278123
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