畜禽粪肥中抗生素残留对土壤微生物及抗性基因的影响分析研究进展

简述了施用集约化养殖的畜禽粪肥对农田土壤造成不利影响的抗生素残留水平和种类,并结合抗生素检测方法的发展对国内外农田土壤抗生素残留现状进行分析。探究了抗生素对土壤微生物菌群的影响,揭示了抗生素抗性基因(ARGs)对农田土壤的潜在风险。最后展望了未来应深入了解土壤微生物和ARGs之间的作用机理,从而为管控抗生素的负面环境影响提供科技支撑。

小麦新品系赤霉病抗性鉴定及基因效应分析

为创制黄淮麦区小麦新品系、提高小麦抗赤霉病育种效率,2022年在小麦扬花期利用喷洒孢子液的方法对81份抗赤霉病高代品系和4份对照品种在濉溪柳湖试验基地开展了赤霉病抗性鉴定,并利用与4个抗赤霉病主效基因Fhb1、Fhb2、Fhb4和Fhb5紧密连锁的6个标记对供试小麦材料进行了基因型检测。结果表明,供试81份材料的赤霉病抗性整体较好,平均病小穗率为27.95%,其中13份自育品系平均病小穗率低于扬麦20;携带单个或多个赤霉病抗性基因的品系共有60份,Fhb1、Fhb2、Fhb4、Fhb5检出频率分别为64.20%、12.35%、20.99%、34.57%;携带单个抗病基因Fhb1、Fhb4、Fhb5的小麦品系分别为18份、3份、2份;有45.68%品系同时携带2~3个赤霉病抗性基因。携带抗性基因的品系平均病小穗率低于不含抗性基因的品系;聚合多个抗赤霉病基因可以有效提高小麦品种的抗赤霉病水平。

自抗性基因导向的活性天然产物挖掘

天然产物是医药与农药的重要来源。基因组测序和生物信息学分析技术的飞速发展,揭示了大量功能未知的天然产物生物合成基因簇,利用生物信息学工具,从这些庞大的基因簇数据中挖掘活性天然产物已经成为发现新型天然药物的重要途径。天然产物的生产者们利用自抗性基因所表达的自抗性酶来保护自身,这种自抗性酶是体内一些初级代谢途径中管家酶的变体,不但对于活性天然产物具有较好的耐受性,还可以在生产活性天然产物的同时确保宿主体内代谢的正常进行。因而,自抗性基因指导的天然产物研究有效地将活性导向和基因组导向的天然产物发掘策略桥连起来,为精准发掘具有目标活性的新型天然产物提供了有效策略。本文对利用自抗性基因作为探针进行天然产物发掘的代表性研究工作进行了整理和总结,并对研究趋势进行了展望,主要包括:①对于活性已知的天然产物,利用其自抗性基因来定位生物合成基因簇的研究;②以天然产物生物合成基因簇中的自抗性基因为线索,预测产物的作用靶点的研究;③利用天然产物自抗性机制,将具有已知作用机制的活性分子进行快速排重的研究;④利用自抗性基因与天然产物及其活性的内在联系,以目标靶点导向的活性天然产物基因组挖掘;⑤自抗性基因导向的基因组数据挖掘工具的发展情况。

中国河口沉积物抗生素及抗性基因地理格局和驱动机制

河口是抗生素抗性基因(antibiotic resistance genes,ARGs)的重要汇集区域,但对于河口环境中ARGs的地理格局和主要驱动因素了解不足.为此,本研究通过高通量定量聚合酶链反应(high-throughput quantitative polymerase chain reaction,HT-qPCR)技术研究了中国16个典型河口在干湿季节的ARGs赋存特征,并结合统计分析揭示了多种因素对ARGs的影响.结果表明,干季ARGs丰度高于湿季,且ARGs丰度随纬度升高呈增加趋势.人类活动、可移动基因元件、肠道微生物、抗生素浓度、理化性质和气候变量对ARGs的赋存有显著影响.其中,气候变量和人类活动对ARGs影响最显著.影响ARGs的最重要气候变量是温度,温度升高使得ARGs丰度降低.研究证实,人类活动和气候因素共同驱动了河口ARGs的丰度变化,可为未来气候变化和社会经济发展背景下ARGs的控制政策提供依据.

商品灭菌乳中常见抗生素抗性基因的筛查与定性分析

探究了市售常见商品灭菌乳中四环素类、氨基糖苷类、β-内酰胺类等抗生素抗性基因(Antibiotic resistance genes,ARGs)的分布与带染特征。以12种市售常见商品灭菌乳为研究对象,用CTAB法提取预处理后样品中的总DNA;超微量分光光度计测量DNA纯度与浓度;PCR扩增ARGs;PCR产物测序后提交GenBank进行序列比对,分析ARGs的种类;使用SPSS软件对ARGs检出率、样品品牌、包装类型、产品类型等进行相关性分析。结果显示,灭菌乳中可同时检出多种ARGs,检出率较高的基因分别为(str B(93.75%)、aad B (92.71%)、sul1(85.42%)、bla_(TEM)82.29%)和tet C(58.33%),未在35种ARGs中检出bla_(VEB)、bla_(PER)、bla_(DHA)、bla_(CMY2)和bla_(GIM)。商品灭菌乳的品牌、包装、产地和保质期与aad A、aad B、str A、str B等抗性基因检出率显著相关。市售商品灭菌乳中存在多种ARGs,且不同种类样品间存在差异,值得从食品安全角度深入研究。

饮水系统中抗生素抗性基因赋存特征及健康风险评估

近几年抗生素抗性基因(ARGs)作为一种新型污染物在世界各地的水体、土壤中被频繁检出,其在环境中大量扩散和增殖十分容易导致微生物获得抗生素抗性,对人体健康产生潜在威胁。结合国内外文献报道数据,介绍了ARGs在城市饮水系统中污染现状,描述了其赋存特征,发现在国内外城市饮水系统中ARGs的数量不容小觑,数量最高可达1.38×105 copies·ml-1。其次对城市饮水系统中常用工艺对ARGs的赋存与传播影响因素进行了总结,发现城市常用水处理工艺对ARGs的灭杀效果差,甚至对其富集和繁殖往往起着促进作用;在不同的环境影响因素中,微生物群落结构是影响ARGs的主要驱动力,其次是重金属。最后提出ARGs对人体可能造成的健康威胁以及现有健康风险评估方法的局限性,并对未来ARGs的研究进行了展望。

Nano-Fe_(3)O_(4)强化牛粪厌氧发酵及抗性基因削减

为提高牛粪高浓度厌氧发酵产气性能,考察了不同浓度纳米四氧化三铁(Nano-Fe_(3)O_(4))对底物水解及产气效率的强化效果,探究其对发酵系统中微生物群落结构变化以及抗生素抗性基因(ARGs)归趋的影响.结果表明,添加500mg/L的Nano-Fe_(3)O_(4)可以提高牛粪高浓度厌氧发酵底物水解程度,增强系统稳定性,提高沼气产量12.36%.与对照相比,发酵系统中水解产酸菌厚壁菌门(Firmicutes)、纤维杆菌门(Fibrobacteres)的丰度分别显著增加了37.39%和75.86%.属水平上尤其是梭菌属(Clostridium)和瘤胃球菌(Ruminofilibacter)丰度是原来的3.50倍和8.69倍.产甲烷菌中甲烷八叠球菌(Methanosarcina)占主导地位,其丰度达2.55%,比对照显著增加27.50%.此外,潜在致病菌密螺旋体属(Treponema)和不动杆菌属(Acinetobacter)的丰度分别显著降低72.14%和93.69%;ARGs中四环素类(tetA、tetG、tetH、tetJ)、氨基糖苷类(aph(3)、aph(6))削减率达100%.磺胺酰胺类(sul1、sul2)平均削减率达74.41%~96.55%.研究表明添加适量的Nano-Fe_(3)O_(4)对稳定发酵系统、提高微生物活性、增加沼气产量、抗性基因削减等方面有多重促进作用,研究结果可为畜禽粪污沼气工程中Nano-Fe_(3)O_(4)等导电性外源调控添加剂的使用提供参考.

高温强化牛粪高浓度厌氧发酵协同抗生素抗性基因削减

为提高畜禽粪便厌氧发酵(anaerobic digestion, AD)效率并促进其在高有机负荷条件下稳定运行,探究厌氧发酵过程中抗生素抗性基因(antibiotic resistance genes, ARGs)的消长机制。通过序批式试验研究了中温35℃和高温55℃对牛粪高浓度(12%TS)厌氧发酵产气性能、功能微生物群落及ARGs消长的影响,挖掘不同因子与ARGs的相互关系;实验证明:牛粪高固浓度发酵系统在高温55℃条件下具有更好的产气性能,甲烷产量提高17.27%。中温发酵过程VFAs的组分主要为乙酸和丙酸,二者约占VFAs的55.58%,其中丙酸积累量高,转化慢,系统出现短暂酸化状态。而高温发酵体系的稳定性及抗酸能力更强,高温改变了发酵过程中的优势细菌属,增加了Acetivibrio、Petrimonas、Methanothermobacter等微生物的丰度从而增加产气量,维持了产酸菌和产甲烷菌的动态平衡。相比中温(35℃),高温(55℃)发酵更能促进ARGs(尤其是aph(6)-Id、aph(3″)-Ib和sul1)相对丰度的削减。提高温度可显著提高厌氧发酵体系的产气性能,增加稳定性;微生物群落变化是ARGs消长的主要驱动因子。该研究结果可为畜禽养殖粪污厌氧发酵的工艺优化提供参考。

海水曝气对海洋微生物群落和抗生素抗性基因的影响

占地球表面71%的海洋蕴含丰富且独特的微生物资源。为维持海产品的鲜活,人们常采用循环暂养技术,通过曝气装置增加水体含氧量。本研究运用宏基因组技术,分析氧含量变化对海洋微生物群落结构、功能组成及抗生素抗性基因的影响。研究发现,高氧海水中的以α-变形菌纲为主的微生物群落多样性较高,而微生物群落功能多样性则随着氧浓度升高而降低。海洋微生物中多种抗生素抗性基因与毒力因子基因丰度下降。这表明海水中氧含量的上升可以减少微生物的抗药性和致病潜能,从而降低其对人类健康的潜在风险。

农家豌豆品种白粉病抗性基因分子标记筛查

为了获得农家豌豆抗白粉病品种,利用分子标记技术,对29份农家豌豆品种白粉病的4个抗性基因连锁的7个标记做了筛查,并对其抗性进行预测。结果表明,经PCR扩增,与豌豆白粉病抗性基因连锁的7个分子标记获得了650,1600,1400,637,880,1200和874 bp的目的条带;7个标记的分布频率均较高,在65%~90%之间,但分布频率不一;29份供试豌豆材料,只有清水河山豌豆不含豌豆白粉病抗性基因连锁标记,其余28个品种均检测到含1~7个标记,其中,和林灰绿野豌豆和张掖民乐箭筈豌豆检测到仅含抗病基因er1;和林粉红野豌豆只含抗病基因Er3;丰镇三棱豌豆只含抗病基因er2、Er3;凉城三棱豌豆同时含3个抗病基因er1、er2、Er3,而不含感病基因Er1;其余的23份材料,均是既含抗病基因er1、er2、Er3,也含感病基因Er1。不同产地来源的豌豆品种所含的分子标记具有一定的地域性,各品种所含分子标记有一定区别;不同产地来源的同名品种的抗性分子标记具多样性,相同地区来源的同名品种其抗性标记均相同。

东洞庭湖表层沉积物中抗生素及抗性基因的时空分异特征

为研究东洞庭湖抗生素及抗性基因(Antibiotic Resistance Genes,ARGs)的时空分异特征,采集了东洞庭湖流域丰水期和枯水期的沉积物样品,使用超高效液相色谱-串联质谱法和实时荧光定量PCR技术研究了4类12种抗生素和8种相应抗性基因。结果表明:沉积物中抗生素浓度水平处于ng·g^(-1)级别,枯水期4类12种抗生素的检出率和浓度水平均高于丰水期。丰水期沉积物浓度范围为ND(未检出)~176.94 ng·g^(-1),平均浓度为9.75 ng·g^(-1);枯水期浓度范围为ND~101.34 ng·g^(-1),平均浓度为10.88 ng·g^(-1);磺胺类和喹诺酮类抗生素是东洞庭湖主要的抗生素。丰水期沉积物样品中共检出8种ARGs,绝对丰度范围在ND~1.03×10^(7)copies·g^(-1);枯水期绝对丰度范围为9.93×10^(2)~6.32×10^(9)copies·g^(-1)。从空间上看,下游ARGs总丰度高于上游。沉积物中抗生素与ARGs具有一定的相关性,并且在枯水期表现出更好的正相关性。研究表明,东洞庭湖表层沉积物中抗生素及抗性基因的浓度随时间和空间的变化有较明显的差异,在枯水期和靠近水产养殖的区域污染水平更高。

17α-乙炔雌二醇胁迫下零价铁对硝化污泥中抗性基因的影响

采用硝化污泥序批式反应器去除17α-乙炔雌二醇(EE2),基于宏基因组测序技术考察了零价铁(ZVI)对硝化污泥去除17α-乙炔雌二醇(EE2)过程中抗生素抗性基因(ARGs)的影响,结合菌群结构分析了其潜在影响机制.结果表明,硝化污泥处理EE2过程中ARGs丰度提高了724.42TPM(每百万转录本中来自于某基因的转录本数目),但ZVI削减了此过程中的ARGs丰度增长趋势,EE2及ZVI改变了ARGs亚型的分布,但对ARGs类型及亚型种类无明显影响.EE2使得硝化污泥中属于高风险等级(Q1及Q2)的ARGs丰度增加了555.75TPM及151.08TPM,ZVI降低了硝化污泥中的抗性风险.多重耐药是硝化污泥中丰度占比最大的高风险(Q1和Q2等级)ARGs类型,占比高达49.23%.微生物群落是硝化污泥中ARGs的重要驱动因子,鞘脂单胞菌属(Sphingopyxis)等菌属与多种ARGs显著正相关,可能是多种ARGs的共同潜在宿主.

典型场地土壤剖面中抗生素及其抗性基因的分布特征

场地土壤中存在多种环境污染物,严重威胁城市土壤和地下水安全.而深层土壤中的新型污染物研究较少,例如抗生素和抗生素抗性基因(ARGs),需要及时监测和治理.本研究选取河北邯郸明芳钢铁场地为研究区域,采集了3根4 m的土壤柱.采用超高效液相色谱-串联质谱仪检测了其中四大类(磺胺类、氟喹诺酮类、大环内酯类、四环素类)共17种抗生素的含量,运用宏基因组测序技术研究了不同深度土壤中ARGs的种类、相对丰度和贡献物种.研究结果表明,总抗生素污染浓度范围在2593.2~4279.5 ng/g之间,其中磺胺类抗生素(SAs)为166.1~1103.8 ng/g,氟喹诺酮类抗生素(FQs)为993.3~1330.4 ng/g,大环内酯类抗生素(MLs)为4.0~104.8 ng/g,四环素类抗生素(TCs)为1269.5~2077.6 ng/g,与其他区域土壤中抗生素浓度相比,污染处于中度水平.土壤剖面中,SAs在浅层土壤(0—150 cm)中占比高于深层土壤(150—400 cm).MLs在深层土壤(350—400 cm)中有较多的累积.TCs和FQs的占比在各土壤层中均较高,是检测到的主要抗生素类别.四大类抗生素对应的ARGs丰度均随土壤深度增加而减少,其中大环内酯类ARGs相对丰度最大,检出频率为0.92×105~1.44×105.物种贡献度统计结果表明,放线菌门(Actinobacteria)对四大类抗生素抗性基因的丰度均具有最大的贡献.综上,本研究揭示了抗生素在场地土壤中的分布迁移特征,而ARGs在深层土壤中的污染不容忽视,可能会污染地下水,增加抗生素耐药菌的传播.

江苏太湖地区粳稻稻瘟病抗性基因(Pi2、Pita、Pib)的分布及抗病效应

为分析稻瘟病抗性基因Pi2、Pita、Pib在江苏太湖地区粳稻稻瘟病抗性育种中的作用,利用五引物扩增受阻突变体系(PARMS)检测技术,检测水稻稻瘟病抗性基因Pi2、Pita、Pib在江苏太湖地区农业科学研究所筛选培育的799份高世代稳定试验材料中的分布情况,并结合穗颈瘟人工接种鉴定结果分析基因型与抗性的关系。结果表明,在799份供试水稻品种中,以抗性基因Pib的分布频率最高,抗性基因Pita的分布频率也相对较高,抗性基因Pi2分布频率较低,多数材料携带2个抗性基因;在抗性基因组合中,Pita+Pib组合检出率较高,为44.81%(358/799)。田间抗病性鉴定结果表明,当供试材料中只存在单一抗病基因时,中抗级别以上材料占比为33.60%(86/256),当供试材料中存在复合基因型时,中抗级别以上材料占比为61.02%(299/490),表明抗性基因共存可以有效增强植株对稻瘟病的抗性。本研究结果为江苏太湖地区粳稻稻瘟病抗性基因聚合育种的选择提供了理论支持。

黑龙江省88份小麦品种(系)抗秆锈基因鉴定及抗性评价

【目的】近年来,小麦秆锈菌(Puccinia graminis f.sp.tritici)新小种Ug99、TKTTF和TTRTF相继出现且不断蔓延传播。黑龙江省是小麦秆锈病常发区,论文旨在分析该地区小麦品种所含抗病基因及对国内小麦秆锈菌优势生理小种的抗性,为我国小麦秆锈病抗病基因的区域合理布局和抗病品种的选育提供理论依据。【方法】基于43个单基因系与88份小麦品种(系)对7个不同毒力的小麦秆锈菌生理小种(21C3CTTSC、21C3CTHQM、34MKQSM、34C3MTGQM、34MKGQM、34MTGSM和RTGRM)的反应型结合系谱分析推导该88个品种(系)中所含有的抗病基因;利用与Sr31、Sr24、Sr25、Sr26和Sr38紧密连锁的分子标记检测供试品种(系)中上述基因的存在情况。同时于2021年和2022年采用我国的两个优势小麦秆锈菌生理小种21C3CTHQM和34MKGQM对供试品种(系)进行成株期抗性评价。【结果】基因推导结果表明,有37个小麦品种可能含有小麦抗秆锈病基因Sr9e、Sr11、Sr17、Sr23、Sr30、Sr35、Sr37、Sr39、Sr40和SrWld中的一个或多个。此外,分子检测结果证实,有10个小麦品种(垦麦16、龙春204、龙辐麦8171、龙蒙麦2305、龙辐麦7166、龙春218、龙麦95、龙辐麦19-92、克春171286和龙辐麦194)含有抗病基因Sr31,未检测到含有Sr24、Sr25、Sr26和Sr38这4个抗病基因的小麦品种(系)。在2021年和2022年的田间试验中,对小种21C3CTHQM和34MKGQM表现抗性的品种分别有86个(97.7%)和83个(94.3%),其中有62个(70.5%)小麦品种连续两年对两个供试小种均表现良好的抗性,其余品种(系)对单一小种表现出不同程度的感病。【结论】黑龙江省小麦品种对当前国内两个小麦秆锈菌优势小种21C3CTHQM和34MKGQM具有良好的成株期抗性;有37个品种被推导出可能含有10个小麦抗秆锈病基因(Sr9e、Sr11、Sr17、Sr23、Sr30、Sr35、Sr37、Sr39、Sr40和SrWld)中的一个或多个;有10个品种含有Sr31,未检测到含有Sr24、Sr25、Sr26和Sr38抗性基因的小麦品种(系)。

水合氧化物对抗生素抗性基因水平转移的影响

研究了水合氧化铝与水合氧化锰对氨苄青霉素抗性基因(负载于pUC19质粒)向大肠杆菌水平转移(转化)过程的影响.结果表明,2.5~200mg/L浓度水平的水合氧化铝与水合氧化锰均显著抑制了抗生素抗性基因(ARGs)转化,两者对转化频率的抑制率最高分别达79.44%和57.64%.水合氧化铝析出的Al (III)是其导致ARGs转化频率发生变化的原因之一,而水合氧化锰几乎无离子析出.此外,水合氧化铝可与p UC19质粒的磷酸骨架以及碱基腺嘌呤、胸腺嘧啶与鸟嘌呤发生结合,与之形成大尺寸加合物,进而降低ARGs进入胞内的效率.对于水合氧化锰,其暴露后宿主细胞膜通透性显著减小,并且该颗粒也与pUC19质粒交缠形成了大尺寸团聚物,这可能是抑制ARGs转化的主要原因.

土壤抗生素抗性基因研究进展及热点分析

抗生素抗性基因(Antibiotic resistance genes,ARGs)的产生和传播对全球公共健康产生巨大威胁。土壤作为ARGs的重要储存库和介质,已引起众多学者广泛关注。为全面了解土壤ARGs相关领域的研究进展及热点,本研究利用可视化软件VOSviewer和CiteSpace,基于Web of Science数据库,对2013—2022年发表的土壤ARGs领域相关文献进行计量学分析。结果表明,土壤ARGs相关研究的发文数量和被引频次逐年上升。我国在土壤ARGs领域的发文量最高,占总发文量的61.40%,且与澳大利亚、美国等27个国家合作紧密。四环素和磺胺嘧啶为该领域重点关注的抗生素类型;大肠杆菌作为模式菌一直是土壤ARGs领域备受关注的微生物类型。不同时期土壤ARGs研究热点存在明显差异:初期关注的重点方向为ARGs的认识和定量,随后引起较多关注的是ARGs源解析及其与微生物的内在联系,而对ARGs传播扩散和归趋相关研究已成为现今科学家关注和研究的热点。

不同浓度的四环素对秀丽隐杆线虫肠道菌群中抗生素抗性基因扩散效率的影响

以秀丽隐杆线虫为模式生物,结合定量PCR和平板筛选法证明抗性基因(ARGs)供体菌Escherichia coli MG1655和受体菌Salmonella typhimurium都能在肠道中稳定定殖。通过接合获得抗生素抗性的S.typhimurium数量与肠道总菌数的比值用以体现肠道中ARGs的扩散效率。在3 d的培养中,随着四环素浓度(0、0.08、0.4、2、10和50 mmol/L)的升高,ARGs扩散效率先升高后降低,其在0.4 mmol/L四环素处理组中达到峰值(第2和第3天分别为0.78%和1.96%)。并且,接合相关功能基因trfA/16S rRNA和trbB/16S rRNA的相对丰度与肠道组织中抗氧化酶活性显现出与ARGs扩散效应一致的趋势。研究表明,短暂且低浓度的抗生素可促进动物肠道内ARGs的扩散。

外源抗生素抗性基因在农田系统中的定殖机制综述

外源抗生素抗性基因(Antibiotic resistance genes,ARGs)对土壤生态健康和农产品质量安全构成严重威胁,但ARGs在土壤-农作物系统中定殖机理不清、跨界迁移机制不明,直接制约了农业系统中细菌耐药污染的有效防控。本文简要论述农田系统ARGs目前赋存现状,系统综述外源ARGs在农田土壤和农作物中的动态演变特征及其与土壤特性的关联性,梳理了ARGs在土壤中侵入-持留-迁移的定殖分子机制以及揭示耐药菌与内生菌之间的交互过程及驱动因素,并提出关于未来农田ARGs环境行为和阻控研究的展望和建议。

水稻稻瘟病抗性基因挖掘与利用研究进展

稻瘟病是一种由子囊菌(Magnaportheoryzae)引起的病害,严重危害水稻的产量和品质。培育和种植抗病品种是控制稻瘟病最经济有效的措施。抗性基因的挖掘与利用是培育抗病品种的基础和关键。本文针对这个科学问题,总结了目前主流的稻瘟病抗性基因的挖掘技术,对已克隆的稻瘟病抗性基因及其应用现状进行梳理和分析;并对稻瘟病抗性基因挖掘利用以及未来发展方向进行展望。