宏基因组分析城市休闲水域九山湖的微生物群落结构和抗性基因

【背景】城市水环境正面临着严峻的抗生素抗性基因(antibiotic resistance genes,ARGs)污染。然而关于城市休闲水域中ARGs的研究较少。【目的】对城市休闲水域夏冬季节的微生物群落和抗性基因组成进行研究分析,促进对休闲水域水生生态系统的认识。【方法】基于高通量测序技术,对休闲湖泊九山湖夏季和冬季的微生物及ARGs组成进行分析。【结果】在夏季和冬季样本中分别检测到148门和152门。变形菌门(Proteobacteria)和放线菌门(Actinobacteria)是两个季节样本的主要菌门。夏季优势属为聚球藻属(Synechococcus),冬季优势属为Liminohabitans。此外,共鉴定出449种抗性基因型(304种是两个季节所共有的抗性基因,66种是夏季特有的抗性基因,79种是冬季特有的抗性基因)。夏季样本中ARGs的相对丰度显著高于冬季。MCR-1.2和BcI分别是夏季和冬季水样的主要ARGs。九山湖样本检测到的抗性基因的耐药机制主要是抗生素外排、抗生素失活或抗生素靶位改变。冗余分析(redundancy analysis,RDA)和典型对应分析(canonical correspondence analysis,CCA)结果表明,环境因子与微生物群落和抗性基因的分布显著相关。【结论】九山湖冬季和夏季的微生物群落结构和抗性基因组成存在明显差异,为进一步认识和了解城市休闲水生生态系统的结构提供了有用的信息,并强调了水体的ARGs污染可能造成的健康危害。     

台风利奇马对城市淡水系统中微生物群落和抗生素耐药性基因的影响

【背景】极端天气事件(如台风)带来的强风和降水,会给水生生态系统造成短暂和持久的影响。然而,很少有研究关注台风对水生微生物群落和抗生素耐药性基因(antibiotic resistance genes,ARGs)的影响。【目的】对台风前后城市淡水水域的微生物群落和抗性基因组成进行研究分析,更好地认识极端天气对淡水生态系统的干扰。【方法】在台风前后从4个地点采集了水样,通过宏基因组分析,检测了台风利奇马对温州休闲水域微生物群落和抗性基因的影响。除水生微生物群落和抗性基因外,还分析了每个采样点的物理、化学参数,包括温度、pH、溶解氧、叶绿素a、可溶性活性磷、硝酸盐、亚硝酸盐和铵。【结果】台风登陆后,大多数地点的pH、溶解氧和叶绿素a都有所增加。然而,台风对九山湖的影响要弱于对三垟湿地的影响。台风登陆后,变形菌门、蓝菌门和拟杆菌门的相对丰度增加,而放线菌门的相对丰度下降。在属水平上,栖湖菌的微生物多样性和相对丰度显著增加。在所有的环境因子中,铵是影响微生物群落结构的最重要的环境因子。另外,在所有样本中均检测到35个机会性致病菌类群。台风后,铜绿假单胞菌的相对丰度增加。ARGs显示了空间(采样点间)和时间(台风前后)的变化。冗余分析表明,水总无机氮是影响抗性基因分布的主要环境因子。【结论】这些发现为极端天气(如台风)如何影响淡水系统中的微生物群落和抗性基因提供了新的见解。台风登陆增加了城市淡水系统的公共安全风险,因此,检验检疫方法和手段应该前移,加强对环境健康安全的评价和分析,这将有助于减轻抗生素耐药性和致病菌扩散的风险。     

海州湾近岸海域的微生物群落结构和抗生素抗性基因时空变化

【背景】近岸海域抗生素抗性基因(antibiotic resistance genes, ARGs)的污染和累积将直接影响海产品质量和安全,海州湾作为江苏省的四大渔场之一,是江苏渔业发展的主要载体,有多条大小河流注入,沿岸为重要农业区,对公众健康产生重大影响。【目的】对海州湾夏秋季的水样及沉积物展开微生物及ARGs检测。【方法】基于宏基因组测序技术开展海州湾夏秋两季近岸6个站点中水体和沉积物中ARGs种类和相对丰度以及微生物群落的组成研究。【结果】变形菌门(Proteobacteria)和放线菌门(Actinobacteria)是夏秋季度两种介质中最优势的门类,水样中优势的科级细菌为红细菌科(Rhodobacteraceae),沉积物样品中为脱硫杆菌科(Desulfobacteraceae);夏季水样中的ARGs相对丰度要明显高于秋季,但沉积物中不同季节的ARGs相对丰度未表现出明显的变化趋势;在水样中主要门级微生物群落的抗性机制主要是抗生素靶位替换和抗生素靶位保护,沉积物样品则以抗生素灭活机制为主,而主要科级微生物群落的抗性机制更加多样;冗余分析(redundancyanalysis...     

武夷菌素对土壤微生物群落及抗生素抗性基因的影响

抗生素抗性基因(antibiotic resistance genes, ARGs)作为一种新型环境污染物近年来受到广泛关注。目前关于抗生素的环境污染研究主要集中于医疗和养殖业,对植物保护领域的农用抗生素环境污染研究很少。武夷菌素是一种环保、高效、广谱的农用抗生素,在农业生产中得到了广泛应用,对农作物真菌性病害具有良好的防治效果。本研究分别选取了未使用武夷菌素和使用武夷菌素的蔬菜大棚中的土壤,通过高通量测序分析了土壤中微生物群落结构,发现两份土壤中主要的微生物群落种类没有发生明显改变,但是优势菌群的丰度有显著差异。通过荧光定量PCR技术,对18个典型的抗生素抗性基因进行了检测,发现aadA、aac(3)-Ⅱ、strA、strB、aacA4、tetX、sulI和intI1 8个基因在两份土壤中的绝对含量和丰度均有显著差异,表明武夷菌素对土壤中微生物的群落结构及抗生素抗性基因的绝对含量和丰度均会造成一定影响。本研究为评估武夷菌素的环境安全性及合理正确使用武夷菌素提供了理论依据,也为其它农用抗生素的相关研究提供了借鉴。     

基于宏基因组技术解析南极不同纬度地区土壤抗生素抗性基因的分布与迁移

[目的] 南极洲不同地区环境极端多样,且受人类活动影响不一。本研究旨在探究南极不同纬度地区土壤抗生素抗性基因（ARGs）的分布特征与迁移机制。[方法] 下载南极不同纬度地区及加拿大阿尔伯特地区养殖场附近土壤宏基因组数据集,利用MetaWRAP进行组装,使用CARD、PlasFlow和ICEberg数据库对ARGs与可移动遗传元件（MGEs）进行注释。[结果] 在南极不同纬度地区土壤中,优势菌门为变形菌门、放线菌门、拟杆菌门和厚壁菌门。共注释出25类406种ARGs,以多重耐药类、四环素类及氨基糖苷类抗生素抗性基因为主。NMDS分析结果表明,南极不同纬度地区与养殖场附近土壤中ARGs的分布特征显著不同（ANISOM,P=0.001）。南极高纬度地区ARGs占总基因数的比例为0.28%,显著低于低纬度地区（1.93%,P<0.01）。不同抗生素类型的ARGs呈现不同的区域分布模式,其中硝基咪唑类、氨基糖苷类、糖肽类与大环内酯类ARGs主要分布在南极高纬度地区,四环素类与磺胺类ARGs主要分布在南极低纬度地区（P<0.05）。南极土壤中ARGs的迁移研究表明,质粒携带的ARGs占检测到的ARGs的17%。同时,共发现163个整合与接合元件（ICEs）可携带多抗耐药类、肽类和四环素类等14类ARGs。这些携带ARGs的ICEs主要分布于α-、β-与γ-变形菌纲中。[结论] 南极高纬度与南极低纬度地区土壤中ARGs的分布存在差异性,质粒与ICEs共同介导ARGs的迁移。本研究为进一步了解抗生素时代之前的原始抗性组提供数据基础。     

温室黄瓜根结线虫发生地土壤微生物宏基因组文库的构建及其一个杀线虫蛋白酶基因的筛选

【目的】本研究旨在通过非培养手段构建和筛选宏基因组文库,以求找到新型的杀线虫蛋白酶基因。【方法】采用密度梯度离心法提取和纯化温室土壤微生物总DNA,经平末端、连接、包装、转染后,构建宏基因组Fosmid文库,同时,以脱脂奶为底物,以根结线虫为靶标,对文库进行功能初筛。【结果】该文库库容31008个克隆,平均插入片段36.5kb,包含1.13Gbp的微生物基因组信息,适合大规模的微生物功能基因筛选,通过功能初筛,筛选到1个含杀线虫蛋白酶基因的Fosmid克隆(pro12)。进一步构建和筛选出亚克隆(espro124a5),通过对基因结构进行了初步分析发现:espro124a5是一种分泌型胞外蛋白酶,与来自于Maricaulis maris MCS10(accession no.YP_756822at NCBI)的丝氨酸蛋白酶S15仅有45%的同源性,是一种新型的丝氨酸蛋白酶,有其保守的催化三元组:Asp469、His541和Ser348。【结论】密度梯度离心法提取到的DNA纯度高、片段长,完全能满足构建宏基因组Fosmid文库的要求;同时,构建的宏基因组Fosmid文库库容大,有利于我们从中筛选其他的微生物基因资源。     

高糖土壤微生物宏基因组文库的构建及β-葡萄糖苷酶基因鉴定

采用宏基因组技术构建了高糖土壤微生物的DNA文库,该文库约含9万个克隆,文库外源DNA总容量为3.1×10~9bp。利用活性筛选策略,对文库进行筛选,获得11个β-葡萄糖苷酶的阳性克隆,并对其中2个表达β-葡萄糖苷酶的克隆进行亚克隆和序列分析,获得两个编码新型β-葡萄糖苷酶的基因分别命名为:unbgl3A和unbgl3B。生物信息学分析表明:unbgl3A基因由2241个碱基对组成,unbgl3B基因由2292个碱基对组成。在核苷酸水平上,unbgl3A、unbgl3B与已知数据库中的β-葡萄糖苷酶基因没有任何相似性。在氨基酸水平上,与GenBank数据库中已知β-葡萄糖苷酶的相似性分别为73%和69%。     

宏基因组技术在开发未培养环境微生物基因资源中的应用

环境微生物宏基因组是一个巨大的基因资源库,但是仅有0.1%～1%的微生物在现有技术条件下是可培养的,因此致使未培养微生物基因资源的开发利用受到限制.宏基因组技术直接提取环境样品总DNA,避开了微生物分离培养的问题,极大扩展了微生物资源的利用空间,增加了获得新生物活性物质的机会.简要介绍了宏基因组的概念及宏基因组克隆技术的基本操作流程和技术要点,重点阐述了目的基因富集、核酸提取、载体和宿主系统选择、宏基因组文库筛选等"瓶颈"技术的研究进展.目的基因富集技术主要包括稳定同位素探针(SIP)、抑制消减杂交(SSH)和差异显示(DD)等.基因文库筛选分为序列依赖性筛选和非序列依赖性筛选,其中序列依赖性筛选包括特定基因PCR、反转录PCR (RT-PCR)、DNA微阵、亲和捕获等技术;非序列依赖性筛选主要指基于基因表达活性筛选和基因"陷阱"技术等.此外,介绍了一些近年来通过构建宏基因组文库筛选目的基因的应用实例.     

成都平原不同种植方式折耳根表面附生细菌群落结构与抗生素抗性基因分析

【目的】分析有机、化肥和野生折耳根表面的附生细菌群落结构和抗生素抗性基因(ARGs),揭示细菌群落结构与ARGs相互关系。【方法】高通量测定16SrRNAV3-V4可变区序列分析样品表面附生细菌群落结构;PCR和qPCR扩增29种ARGs基因分析样品表面ARGs污染情况;冗余分析(RDA)探讨细菌群落结构与ARGs的相互关系。【结果】折耳根表面检测到35个属的细菌,其中有机折耳根表面附生细菌多样性低于化肥和野生折耳根(P0.05);29种被检的ARGs中,有14种在折耳根中被检出,其中有机折耳根含有全部被检出的ARGs,化肥和野生折耳根则含有部分被检出的ARGs。折耳根表面ARGs污染的多样性和丰度显著受到样品表面的菌群结构影响,其中Lactococcus、 Escherichia、Fluviicola、Enterococcus、Sanguibacter和Acidovorax是影响ARGs最主要的菌群。【结论】有机种植极大地改变了折耳根表面附生细菌的群落结构,增加了ARGs的多样性和丰度,对有机折耳根的食品安全带来了潜在威胁。因此,有必要将ARGs污染监测纳入到有机折耳根的食品安全考核范围内。     

驯化对作物微生物组多样性和群落结构的影响及作用途径

植物与共存微生物的相互作用对植物的生长、发育、健康等具有重大影响。人类驯化导致现代作物品种与其野生祖先在生理遗传特性、生长环境等方面存在明显差异, 这必然会影响作物与其微生物组的相互作用。理解驯化对作物微生物组的影响及其作用机理, 是充分应用微生物组进行作物改良或人工育种的重要理论基础。结合课题组前期研究基础, 该文综述了驯化对作物地下和地上部分细菌和真菌(尤其是益生菌和病原菌)群落组成和多样性影响的研究现状; 并结合驯化对作物植株形态、根系构型、根系分泌物等生理特征以及生长环境的影响, 分析了驯化塑造作物微生物组的作用途径, 提出了该领域值得重点关注的研究和发展方向。     

栽培模式对沙棘人工林土壤微生物群落结构和参与氮循环功能基因的影响

以沙棘×油松混交林、沙棘×侧柏混交林、沙棘×刺槐混交林、沙棘纯林的土壤为研究对象,对其土壤微生物种群结构、参与氮循环功能基因丰度进行了检测.结果表明: 沙棘与油松或侧柏混交能显著增加林地土壤总磷脂脂肪酸(总PLFA)、细菌脂肪酸(BPLFA)和革兰氏阳性菌脂肪酸(G⁺PLFA)含量,而真菌脂肪酸 (FPLFA)含量无明显变化.两种混交林地土壤的nifH、amoA、nirK和narG基因丰度明显高于沙棘纯林土壤.土壤总PLFA、G⁺PLFA、革兰氏阴性菌生物量(G^-PLFA)和4种功能基因的丰度均与土壤pH、土壤有机碳、总氮、NH₄⁺-N、速效钾呈显著正相关.不同栽培模式人工林土壤微生物群落和基因丰度的差异主要与土壤理化特性有关.沙棘与油松或侧柏混交为当地2种较好的栽培模式,能有效地改善土壤质量.     

红毛草不同程度入侵区土壤微生物群落结构和部分理化指标的比较及其相关性分析

采用磷脂脂肪酸( PLFAs)分析法比较了红毛草﹝Rhynchelytrum repens ( Willd.) C. E. Hubb.﹞非入侵区、轻度入侵区和重度入侵区土壤微生物群落结构的差异,并对不同程度入侵区土壤部分理化指标的差异进行比较;在此基础上,对土壤中不同类型微生物含量与部分理化指标的相关性进行分析。结果表明：在不同程度入侵区土壤中共检测到37种微生物,包括28种细菌、4种放线菌、4种真菌和1种原生动物,其中,细菌含量最高。6种微生物的PLFAs含量较高,且它们在3类入侵区均有分布;27种微生物的PLFAs含量较低,且它们在3类入侵区也均有分布;4种微生物的PLFAs含量较低,且它们仅分布在个别入侵区。随红毛草入侵程度加剧,土壤中细菌、真菌和原生动物的含量均逐渐升高,且它们在重度入侵区土壤中的含量分别较非入侵区增高11.34%、19.60%和13.95%;并且,土壤中的微生物种类也逐渐升高。随着红毛草入侵程度的加剧,土壤的过氧化氢酶活性逐渐下降,蔗糖酶和脲酶活性以及pH值和含水量均逐渐升高,而纤维素酶活性变化较小;与非入侵区相比,重度入侵区土壤的过氧化氢酶活性下降59.27%,而蔗糖酶和脲酶活性以及 pH 值和含水量分别升高73.71%、68.60%、15.09%和32.95%。相关性分析结果表明：土壤中的细菌含量与过氧化氢酶、蔗糖酶和脲酶活性以及pH值和含水量均存在极显著相关性(P<0.01),相关系数分别为-0.909、0.864、0.868、0.836和0.889;土壤中的真菌含量与过氧化氢酶活性存在显著负相关(P<0.05),与蔗糖酶活性和pH值存在极显著正相关,相关系数分别为-0.739、0.868和0.832。研究结果显示：红毛草能够改变土壤的微生物群落结构及理化性质,使土壤条件更利于红毛草的生长。