南京大学郭红岩团队STOTEN：大气CO2浓度升高条件下汞污染引起的外排泵激活能够提升土壤病原菌的抗生素抗性和毒力

病原菌中抗生素抗性基因 (ARGs) 在环境中的传播会对全球健康构成严重威胁。农业土壤既是病原菌和ARGs的储存库，同时又与公共卫生和食品安全密切相关。重金属压力可以为ARGs提供更持久的选择压力，而气候变化又是ARGs传播的“威胁倍增器”。但是，目前关于重金属污染对农业土壤中病原菌和ARGs的影响及其对气候变化的敏感性鲜有报道。本研究应用开顶式气室试验平台研究正常大气和大气CO2浓度升高条件下，汞 (Hg) 污染对土壤病原菌群落组成、毒力和抗生素抗性的影响。结果表明：两种CO2浓度条件下，汞污染均引起了土壤中常见植物病原菌和人类病原菌相对丰度的显著增加，同时提升了病原菌的毒力和抗生素抗性，汞污染引起的外排泵的激活可能有助于某些病原菌的毒力或适应性的变化。

宏基因组测序分析在土壤样本中共鉴定出112种潜在病原菌，不同处理组在门水平上呈现相似的组成（图1a）。在正常大气和大气CO2浓度升高条件下，汞污染都引起了常见植物病原菌和人类病原菌相对丰度的显著提升（图1b和1c），这意味可能会对粮食生产和人类健康构成更大且持续的威胁。探究病原菌群落影响因素，发现大多数病原菌丰度与汞浓度(0.08 – 2.38 mg/kg) 呈显著正相关，而与土壤有机质(42.23 – 44.17 g/kg)和水溶性有机碳含量 (156.42 – 194.72 mg/kg)呈现负相关（图1d）。

图1 正常大气条件和大气CO2浓度升高条件下，汞污染对土壤病原菌群落的影响

Fig. 1 Shifts in soil pathogens community caused by Hg contamination under ambient and elevated CO2 concentration.

宏基因组测序分析在土壤样本中共检测到461个杀菌剂和金属抗性相关基因，其中外排泵编码基因173个，调节基因96个，酶编码基因90个。在正常大气和大气CO2浓度升高条件下，汞污染均导致外排泵基因总相对丰度的显著增加（图2a）。在五种常见的外排泵类型中，耐药结节细胞分化类 (RND) 占比最大（平均在58%以上），此类型外排泵是许多种病原菌获得多重耐药性的主要原因。两种大气CO2浓度条件下，汞污染均导致此类外排泵基因丰度提升一倍（图2b）。

图2 正常大气条件和大气CO2浓度升高条件下，汞污染对外排泵基因的影响

Fig. 2 Variations of efflux pumps genes due to Hg contamination under ambient and elevated CO2 concentration

毒力因子可通过增强病原菌的传染性和加剧抗生素耐药性从而导致致病性的产生。本研究中防御型毒力因子在所有样本中所占比例最大，为44.3% ~ 47.0% （图3）。两种大气CO2浓度条件下，汞污染均导致进攻型毒力因子相对丰度显著上升，上升趋势最为显著的是与粘附和分泌系统相关的毒力因子（图3），表明汞污染土壤中病原菌可能具有更强的侵袭能力。

图3 正常大气条件(a、b)和大气CO2浓度升高(c、d)条件下，对照土壤和汞污染土壤毒力因子的Krona图

Fig. 3 Krona plots of VFs in control soil and Hg-contaminated soil under ambient (a, b) and elevated (c, d) CO2 concentrations

采用基于距离的冗余分析评价汞污染对外排泵变化的贡献，同时探究外排泵与毒力因子之间的内在联系。结果表明：汞浓度解释了76%外排泵基因总丰度的变化 (P < 0.01)，同时也是耐药结节细胞分化类 (RND) 等家族外排泵的决定性驱动因素(图4)。同时，五种外排泵解释了近90%的总体进攻型毒力因子的变化，其中耐药结节细胞分化类 (RND) 是粘附、分泌系统、入侵和毒素等毒力因子的主要贡献者 (P < 0.01)。我们的结果为理解外排泵在抗生素抗性和毒力中所起的双重作用提供了依据。

Fig. 4 Sankey diagram based on db-RDA displaying the contribution of Hg and CO2 to efflux variations and the contribution of five efflux pumps to offensive virulence factors

本文探究了现在和未来气候条件下汞污染土壤中病原菌、毒力因子和外排泵的分布情况。结果表明，在正常大气和大气CO2浓度升高条件下，汞污染导致了土壤中常见植物病原菌和人类病原菌相对丰度的显著增加，同时增强了病原菌的攻击型毒力因子的产生能力。汞污染对外排泵的激活发挥积极的作用，这种激活作用在当前和未来气候条件下都有可能增强土壤病原菌的毒力。以上结果从病原菌抗生素耐药性的角度出发，暗示了在全球气候变化背景下农田土壤汞污染的去除和净化的重要性。