文章鏈接：https://doi.org/10.1186/s40793-022-00413-5
在深淵區(qū)（hadal zone，約 6000-11,000 米）低溫、高靜水壓、低有機(jī)質(zhì)的極端能量限制和環(huán)境條件下，仍可容納許多微生物。它們在深海形成了獨(dú)特的微生態(tài)環(huán)境，然而，這些微生物的致病性、抗性和適應(yīng)性特征仍然未知。在本研究中，鞠峰團(tuán)隊(duì)和陶亮團(tuán)隊(duì)使用非培養(yǎng)的宏基因組方法合作挖掘了馬里亞納海溝的深淵微生物群的毒力因子和抗生素抗性基因。
該研究依托西湖大學(xué)工學(xué)院講席崔維成教授2018年年底的深海科考航班，采集了來自包括馬里亞納海溝的挑戰(zhàn)者深淵底部（10,898 m）和溝槽的峭壁點(diǎn)（6038 m）的太平洋沉積物樣本，結(jié)合先前已發(fā)表的馬里亞納海溝不同深度收集的海水深淵微生物的宏基因組數(shù)據(jù)，加以對比分析。該項(xiàng)目詳細(xì)剖析了來自三個樣本的深海微生物的VGs、ARGs以及MGEs的結(jié)構(gòu)組成和特征。
圖1. 沉積物樣本采樣位點(diǎn)
與其他深海微生物樣本相比，挑戰(zhàn)者深度底部沉積物樣本表現(xiàn)出了獨(dú)特的毒力因子和抗性基因的組成多樣性和分布模式。與來自較淺位置的沉積物相比，馬里亞納海溝挑戰(zhàn)者深淵沉積物具有更高的豐度和更多類型的毒素基因。在最深點(diǎn)的海底沉積物中還發(fā)現(xiàn)了一些編碼最臭名昭著的細(xì)菌毒素的基因，包括肉毒桿菌神經(jīng)毒素、破傷風(fēng)神經(jīng)毒素和大梭菌毒素；而在其他樣本中幾乎無法檢索到這些基因。
在抗生素抗性基因方面，馬里亞納海溝的沉積物和海水之間存在顯著的跨生境差異，一些人為來源的抗生素抗性基因（fosX、sul1和一些TEM家族的超廣譜β-內(nèi)酰胺水解酶）在萬米海溝中被發(fā)現(xiàn)甚至富集也指征了人為因素對海溝造成的環(huán)境污染和影響。
圖2. a, b分別為樣本中外毒素基因的相對豐度與多樣性和外毒素基因的主成分分析；c, d和e分別表示了樣本中ARGs在沉積物和海水中的相對豐度與多樣性和主成分分析。
可移動遺傳元件（MGEs）可以幫助細(xì)菌通過水平基因轉(zhuǎn)移快速獲得新的性狀以在環(huán)境變化中生存，為了進(jìn)一步探究哪些水平基因轉(zhuǎn)移機(jī)制有助于馬里亞納海溝微生物在深淵的適應(yīng)和進(jìn)化，探索馬里亞納海溝沉積物微生物組的ARGs和VGs的傳播潛力，研究者們還考察了MGEs的分布特征和三者在宏基因組組裝重疊群上的共現(xiàn)情況。
總的來說，噬菌體和整合酶介導(dǎo)的水平基因轉(zhuǎn)移是馬里亞納海溝沉積細(xì)菌進(jìn)化的主要機(jī)制。而沉積物樣本中的微生物毒力因子和抗生素抗性基因存在著大量共同選擇，在挑戰(zhàn)者深淵底部這些存在著毒力因子和抗生素抗性基因共選擇的微生物宿主有超過一半是目前未知的微生物。
此研究首次系統(tǒng)性地概述了馬里亞納海溝深淵區(qū)微生物組的致病性、抗性組和可移動遺傳元件組的分布模式和多樣性。該研究的新發(fā)現(xiàn)不僅為進(jìn)一步分析極端環(huán)境下微生物致病性、抗性和水平基因轉(zhuǎn)移參與的進(jìn)化過程提供了新的證據(jù)，同時這里進(jìn)一步提出了一個開放性問題，即自然和人為起源的選擇壓力對地球表面最深處的抗生素耐藥性和微生物致病性的局部發(fā)展和傳播的相對貢獻(xiàn)孰輕孰重。
西湖大學(xué)陶亮團(tuán)隊(duì)博士生賀柳晴、鞠峰團(tuán)隊(duì)博士生黃昕瑜為本文共同第一作者，西湖大學(xué)鞠峰、陶亮為本文的共同通訊作者。本課題受到國家自然科學(xué)基金、浙江省自然科學(xué)基金、西湖實(shí)驗(yàn)室（生命科學(xué)和生物醫(yī)學(xué)浙江省實(shí)驗(yàn)室）、浙江省海岸帶環(huán)境與資源研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室及西湖教育基金會的資助。特別感謝西湖大學(xué)工學(xué)院崔維成教授及其團(tuán)隊(duì)對本研究項(xiàng)目采樣工作的支持與幫助。
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