科研进展 | 西湖大学鞠峰、陶亮团队合作揭示深海微生物组赋存致病性和抗生素抗性潜力的独特特征

近日，西湖大学工学院鞠峰团队与生命科学学院陶亮团队合作在 Environmental Microbiome 在线发表了题为“Distinctive signatures of pathogenic and antibiotic resistant potentials in the hadal microbiome”的最新研究成果，这项工作描绘了全球最深处——马里亚纳海沟挑战者深渊的沉积物和深层海水中微生物的毒力因子基因（VGs）、抗生素抗性基因（ARGs）以及可移动遗传元件（MGEs）的独特组成特征，为进一步深入了解深海环境以及深海微生物致病性、耐药性和适应性进化提供了新的见解。

文章链接：https://doi.org/10.1186/s40793-022-00413-5

在深渊区（hadal zone，约 6000-11,000 米）低温、高静水压、低有机质的极端能量限制和环境条件下，仍可容纳许多微生物。它们在深海形成了独特的微生态环境，然而，这些微生物的致病性、抗性和适应性特征仍然未知。在本研究中，鞠峰团队和陶亮团队使用非培养的宏基因组方法合作挖掘了马里亚纳海沟的深渊微生物群的毒力因子和抗生素抗性基因。

该研究依托西湖大学工学院讲席崔维成教授2018年年底的深海科考航班，采集了来自包括马里亚纳海沟的挑战者深渊底部（10,898 m）和沟槽的峭壁点（6038 m）的太平洋沉积物样本，结合先前已发表的马里亚纳海沟不同深度收集的海水深渊微生物的宏基因组数据，加以对比分析。该项目详细剖析了来自三个样本的深海微生物的VGs、ARGs以及MGEs的结构组成和特征。

图1. 沉积物样本采样位点

与其他深海微生物样本相比，挑战者深度底部沉积物样本表现出了独特的毒力因子和抗性基因的组成多样性和分布模式。与来自较浅位置的沉积物相比，马里亚纳海沟挑战者深渊沉积物具有更高的丰度和更多类型的毒素基因。在最深点的海底沉积物中还发现了一些编码最臭名昭著的细菌毒素的基因，包括肉毒杆菌神经毒素、破伤风神经毒素和大梭菌毒素；而在其他样本中几乎无法检索到这些基因。

在抗生素抗性基因方面，马里亚纳海沟的沉积物和海水之间存在显著的跨生境差异，一些人为来源的抗生素抗性基因（fosX、sul1和一些TEM家族的超广谱β-内酰胺水解酶）在万米海沟中被发现甚至富集也指征了人为因素对海沟造成的环境污染和影响。

图2. a, b分别为样本中外毒素基因的相对丰度与多样性和外毒素基因的主成分分析；c, d和e分别表示了样本中ARGs在沉积物和海水中的相对丰度与多样性和主成分分析。

可移动遗传元件（MGEs）可以帮助细菌通过水平基因转移快速获得新的性状以在环境变化中生存，为了进一步探究哪些水平基因转移机制有助于马里亚纳海沟微生物在深渊的适应和进化，探索马里亚纳海沟沉积物微生物组的ARGs和VGs的传播潜力，研究者们还考察了MGEs的分布特征和三者在宏基因组组装重叠群上的共现情况。

总的来说，噬菌体和整合酶介导的水平基因转移是马里亚纳海沟沉积细菌进化的主要机制。而沉积物样本中的微生物毒力因子和抗生素抗性基因存在着大量共同选择，在挑战者深渊底部这些存在着毒力因子和抗生素抗性基因共选择的微生物宿主有超过一半是目前未知的微生物。

此研究首次系统性地概述了马里亚纳海沟深渊区微生物组的致病性、抗性组和可移动遗传元件组的分布模式和多样性。该研究的新发现不仅为进一步分析极端环境下微生物致病性、抗性和水平基因转移参与的进化过程提供了新的证据，同时这里进一步提出了一个开放性问题，即自然和人为起源的选择压力对地球表面最深处的抗生素耐药性和微生物致病性的局部发展和传播的相对贡献孰轻孰重。

西湖大学陶亮团队博士生贺柳晴、鞠峰团队博士生黄昕瑜为本文共同第一作者，西湖大学鞠峰、陶亮为本文的共同通讯作者。本课题受到国家自然科学基金、浙江省自然科学基金、西湖实验室（生命科学和生物医学浙江省实验室）、浙江省海岸带环境与资源研究重点实验室及西湖教育基金会的资助。特别感谢西湖大学工学院崔维成教授及其团队对本研究项目采样工作的支持与帮助。