作者：方榆莉，南京农业大学硕士在读，主要研究抗生素菌渣对土壤和植物的影响。
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因外界抗生素、农药等化学用品的高量投入，环境的抗生素抗性逐渐成为广泛关注的公共卫生问题，但噬菌体对抗生素抗性基因(ARGs)在环境中迁移的影响尚未被广泛研究。研究表明，噬菌体在ARGs的获得、维持和传播的过程发挥着十分重要的作用。这篇文章论述了关于噬菌体对环境抗生素抗性的贡献，可以更好地理解噬菌体影响环境抗生素抗性的机制和因素，对控制环境中抗生素抗性的传播有很大的指导意义。
自1928年AlexanderFleming发现盘尼西林以来，抗生素挽救了数以万计的生命。但人类医疗和兽医学中过度使用和滥用抗生素造成了抗生素抗性危机，进而导致了大量的抗生素通过动物粪便释放到环境中，对当地微生物群落产生了选择性压力，造成耐药菌及其抗性基因的富集和传播。土壤中的抗生素残留会导致ARGs的迁移，沿着土壤-食物链从土壤到作物，对公众健康造成潜在风险。鉴于抗生素抗性危机的严重性，探索促进抗生素抗性的机制和因素变得至关重要。
噬菌体是一种可侵染细菌的病毒，可分为裂解噬菌体和温和噬菌体。裂解噬菌体在宿主菌体内复制增殖，最终裂解宿主细菌，释放子代噬菌体。温和噬菌体感染宿主菌后，将其基因整合于宿主细菌染色体上，即前噬菌体，随细菌染色体的复制而复制，并随细菌分裂而分配至子代细菌的染色体中。由于许多细菌基因组中都含有前噬菌体，为细菌生存和遗传交换提供更好的生态条件，但也存在破坏宿主适应性的情况。在一些特定条件下，如环境胁迫或自发的前噬菌体诱导，使得细菌SOS反应被诱导以及原噬菌体裂解周期被激活。而且，在噬菌体基因组中发现了大量的辅助代谢和功能基因，表明噬菌体在原核生物进化中起着基础性作用。细菌和噬菌体的相互作用是一种复杂的协同关系，推动了微生物世界的生态和进化过程。
驱动宿主基因包装到噬菌体或类噬菌体颗粒，随后通过水平基因转移(HGT)传递到细菌宿主的机制有很多。当抗药性细菌暴露在环境应激源(如抗生素)或自发诱导下，可能通过噬菌体的转导或基因转移介质(GTAs)触发细菌间的HGT(图1)。外源DNA的噬菌体介导转移被称为转导(transduction)，另一个遗传交换过程是由GTAs引导的：宿主细胞产生的类噬菌体颗粒，可以携带宿主细胞的任意一部分，然而它们的DNA中没有足够的GTAs结构基因，从而限制了后续的复制。与转化和转导的频率相比，GTAs介导的转移频率要高得多，虽然GTAs转导的效率突出了GTAs在原核生物遗传信息交换中的重要性，但其完整机制尚不清楚。病毒与细菌多样性、生态及进化有着重要相关性，其中人类肠道噬菌体在维持其群落结构与功能方面有着关键作用，而某些外源胁迫能够由噬菌体诱导从而改变微生物群落。抗生素处理可导致不同的ARGs装载于类噬菌体颗粒中，改变微生物组结构。这些研究为噬菌体对ARGs的HGT和其他移动基因元件(MGEs)宿主和载体的环境驱动机制奠定了基础。由于噬菌体具有促进宿主间遗传物质交换的能力，其已成为细菌适应和进化的主要研究对象，因此噬菌体对环境抗生素耐药性的贡献不应被忽视。
世界范围内抗生素的过度和持续使用加速了细菌群落中抗生素抗性的进化，而新的抗生素抗性进化和传播的决定因素取决于环境作用。ARGs已在不同的环境中被检测到，在许多水库中包含了多样性和丰度较高的ARGs，其中大多数与人类和动物来源的细菌有关。城市和工业污水、粪便、污泥、农业废弃物等污染源含有大量可通过不同途径传播的ARGs，并可能触发细菌防御机制的突变，增加耐药菌传播的选择压力，或为环境细菌与潜在病原体之间的HGT提供合适的条件。然而由于环境因子复杂且多变，很难预估环境中的耐药细菌和ARGs的进化和传播的风险。
考虑到噬菌体的数量和全球分布的特点，同时不可低估它们在细菌进化中的影响。环境病毒组数据表明各生态系统中都含有大量的ARGs(图2)。越来越多的研究表明，环境中含有ARGs的噬菌体与受人类活动影响的地区的邻近程度有关，例如携带ARGs的噬菌体多出现在受动物和城市废水污染的地区。目前研究表明，废水处理厂是抗生素抗性基因丰度较高的地点，残留抗生素及其代谢物可能促进HGT的发生和突变。传统的废水处理工艺虽显著降低了细菌的丰度，但并不意味着耐药细菌或ARGs的数量显著减少。而紫外线照射、氯化作用、芬顿反应和臭氧氧化等技术对耐药菌和ARGs的影响取决于污染物密度和操作条件。在噬菌体携带ARGs时，ARGs 会在衣壳内受到保护，从而在消毒和自然衰减的情况下也能较大的持久性，这些特性增加了细菌间的HGT。图2 不同生境病毒体中耐抗生素基因(ARGs)的相对丰度
噬菌体和类噬菌体在细菌HGT和随后的细菌进化中起着关键作用。由于噬菌体的丰度及其多样的DNA包装机制，使噬菌体成为获得、维持和传播ARGs的合适载体。不同生态系统中含有ARGs的噬菌体和类噬菌体具有传播性、持久性和多样性，然而，究竟是环境中高丰度的ARGs导致噬菌体广泛携带抗性基因，还是噬菌体的特性促进了ARGs的传播，这一因果性还有待研究。所以，监测噬菌体对抗生素抗性的进化和传播的影响十分必要，亟需深入阐明噬菌体和类噬菌体促进环境中ARGs传播的因素和机制。
考虑到人为污染与含有ARGs的噬菌体丰度增加之间的潜在联系，有必要开发新技术来消除或减少废水处理厂中的噬菌体。高通量测序技术如宏基因组学和宏转录组学，可进一步分析不同生态系统的噬菌体，所以有必要标准化取样程序、测序和生物信息学分析流程，以避免与这些方法程序相关的潜在偏差。论文信息
原名：Bacteriophages as Environmental Reservoirs of Antibiotic Resistance
译名：噬菌体作为环境抗生素抗性的贮藏库
期刊：Trends in Plant Science
IF2019：14.416
发表时间：2019.07
通讯作者：José Luis Balcázar
通讯作者单位：加泰罗尼亚水研究所
