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原文链接：https://doi.org/10.1016/j.watres.2023.120488
文章信息
第一作者：徐诺寒
通讯作者：钱海丰 教授
通讯单位：浙江工业大学
https://doi.org/10.1016/j.watres.2023.120488
亮点
海洋抗性基因的宿主局限于核心海洋微生物组。
海洋抗生素抗性基因中有65%能够表达。
全球气候变化下未来将有97%的海域中的抗性基因表达量发生变化。
研究进展
近日，浙江工业大学钱海丰教授团队和中国科学院生态环境研究中心朱永官院士合作研究了海洋抗生素耐药基因及其表达的全球图谱（图1）。海洋作为全球抗生素耐药细菌和抗生素耐药基因（ARGs）的储库。然而，关于ARGs的特性和在环境因素作用下的表达知之甚少。我们分析了347个宏基因组和182个宏转录组，以确定海洋中ARGs的分布、宿主和表达情况。我们的研究发现，ARGs的多样性和丰度因纬度和深度而异。鉴定出的海洋ARGs中有65%被表达，人类活动可能通过改变硝酸盐和磷酸盐浓度以及海洋温度来影响ARGs的表达。机器学习模型预测，到2100年，超过97%的海洋ARGs的表达将发生变化。高风险ARGs将转移到低纬度和人类活动高的地区，如太平洋和大西洋。
图1 图文摘要
宏基因组数据集（n=347）的样本采集自全球海洋分布的181个地点。这些样本来自于表层（SRF）、叶绿素最大层的深层（DCM）以及中层深渊（MES）。海洋生态系统是多样且独特的ARGs的储库。ARGs的多样性和丰度与纬度呈正相关，极地地区的值高于非极地地区。ARGs的多样性随深度增加（图2），极地地区和MES层都具有较高的ARGs多样性，这两个环境都受人为影响较小。这表明人为影响可能通过改变ARGs宿主的组成和多样性。
图2 全球海洋中的广谱ARGs概况
我们在匹配的宏基因组样本中共鉴定出526个ARGs，其中341个被表达。ARGs的表达变化要比其丰度变化更大，而在相应的宏基因组中占主导地位的ARGs未必高度表达（图3）。
图3 海洋中ARGs的表达
我们使用6个环境因素作为独立变量，结合机器学习预测ARGs的表达及其驱动表达的环境因素。机器学习模型表明，硝酸盐和磷酸盐浓度对ARGs表达产生正向影响，而海洋温度升高则对其产生负面影响。基于GFDL-ESM4模型，与2015年相比，SSP1-1.9（可持续性）和SSP5-8.5（无政策干预的化石燃料开发）情景在2100年时导致了97％以上的海洋区域中ARGs表达的变化（图4），且高风险ARGs表达的焦点可能会向低纬度地区和人为活动较高的区域（如大西洋和太平洋）转移。
图4 全球气候变化下环境因素对ARG表达的影响
研究较全面展示全球海洋中ARGs的定性定量分布和表达，加深理解了环境因素对全球海洋中ARGs的人为影响的理解，人为活动的加剧可能导致超过50％的区域ARGs的表达增加。对ARGs表达预测的理解对于认识人为活动对全球海洋生态系统的影响具有警示作用。