【LorMe周刊】原生动物对细菌抗生素抗性的影响
作者：宋宇琦，南京农业大学博士在读。主要研究根际原生动物和根际健康。
导读
抗生素抗性基因（Antibiotic resistance genes，以下简称ARGs）的日益增长是21世纪人类健康的主要挑战之一。然而，仍然缺乏对自然生态系统中抗生素抗性潜在机制的全面理解，尤其是对细菌和其他微生物之间的相互作用在抗生素抗性发展中作用的了解有限。本文总结了对自然环境中的ARGs普遍存在的主要发现，并讨论了在自然环境中驱动抗生素抗性演变和发展的潜在选择压力。同时回顾了原生动物与细菌抗生素抗性之间的潜在联系，并强调了在没有人为干扰时，原生动物捕食是细菌抗生素抗性的关键选择压力。
自然环境中的抗生素抗性
在自然环境和完整的生态系统中，抗生素抗性是古老且普遍存在的。ARGs在自然环境中的普遍存在可能归因于：（1）土壤中活动的生物体产生的抗生素或其衍生物，这对土壤微生物组产生了选择压力；（2）细菌与其他微生物之间的生物相互作用，如真菌和细菌的拮抗作用直接影响细菌群落组成和ARGs的丰度。
自然生态系统中抗生素的潜在功能
在自然环境中，微生物必须应对竞争、捕食和其他环境压力，它们没有足够的能量、能力和时间来应对这些压力。因此，抗生素的生产以及抗生素抗性系统的发展被认为是细菌在压力条件下生存的策略。据推测，特定细菌会产生多功能性的抗生素，比如（1）与其他生物争夺空间或营养；（2）“捕食”其他细菌获得营养；（3）抵御原生动物或其他微生物的捕食；（4）由植物分泌物或原生生物调节并抵御植物病原菌的入侵；（5）低水平调节微生物或植物内细胞应答或相互作用的信号分子。并非所有细菌都能产生抗生素，但抗生素和非抗生素生产者都可以建立抵抗机制，以保护自己免受自己的抗生素产品或其他物种的毒性。
天然抗性组（resistome）可能的选择压力
基于上述自然界中抗生素的潜在功能，认为微生物之间的基本相互作用，即竞争、捕食、抵御捕食和/或与植物的相互作用，可能是产生抗生素以及自然中抗生素抗性进化的重要因素（图1）。首先，细菌和其他微生物间的竞争会刺激细菌产生抑菌化合物抑制或杀死其对手（图1 A）。其次，细菌通过分泌抗生素裂解其他微生物细胞，可以增强微生物群落抗性（图1 B）。第三，假定原生动物和其他土壤中消费者（主要是线虫和微型节肢动物）的捕食是细菌抗生素抗性进化的关键选择压力（图1 C）。最后是细菌与植物间的互作，通过细菌产生的生物活性物质来抑制植物病原菌，这是天然抗性组发展的重要因素（图1 D）。当植物受到病原菌攻击时，有益细菌被植物根部的挥发性有机化合物吸收并诱导产生抑制病原体的化合物以保护植物。这些抑制性化合物中有许多被称为抗生素，它们可以激活抗性系统并选择土壤中的抗性微生物。因此，细菌与植物之间的相互作用可能潜在地促进了天然抗生素的利用，从而进一步增强了土壤微生物群系中抗性的传播。
图1 天然抗性组的潜在选择压力
原生动物影响抗生素抗性的维持和演变
产生抗生素被认为是细菌抵御捕食的有效方法之一。细菌可以通过感知原生动物的捕食习性、物种或其他特征来选择性的决定释放抗生素的类型。不断进化的细菌在受到抗生素及其“敌人”的压力时会生长的更好，而在共同进化的原生动物的存在下，会增强细菌的进化适应性。此外，捕食压力下抗生素抗性质粒的水平基因转移维持了抗生素抗性元素的可用性和细菌群落的存活，因此，原生动物的捕食被认为可以促进细菌的进化，并最终促进生态系统中的抗生素抗性。除了由原生动物捕食所施加的选择压力外，原生动物可能是向土壤动物和更高营养水平的抗生素抗性传播的载体--通过土壤消费者的捕食活动，细菌可能从原生动物转移到土壤动物，也可能通过根际转移到植物。土壤原生动物可能是将ARGs和抗药性细菌传播到更大空间规模和更高营养消费者和人类的潜在载体。因此认为原生动物可能是耐药菌种群持续存在的重要因素。
全球变化背景下的原生动物和天然抗性组
天然环境中细菌与抗性组的相互作用，原生动物对细菌与细菌间、细菌与真菌间竞争的影响，是抗生素抗性的主要驱动力（图2中红色箭头）。通过对细菌的捕食以及共生联系，原生动物也是抗生素抗性细菌和ARGs的携带者。动物粪便和人类产生的生活废物（污水污泥，废水和生物固体）也将大量的ARGs和抗性微生物带入地下系统，这加剧了ARGs在土壤中的传播。人类可能会通过食物链（肉，蔬菜或水果）或与动物、食物材料、土壤和其他人直接接触而被携带ARGs的病原菌感染。
图2 全球变化背景下的封闭的复杂系统
全局变化会显著影响天然抗性组的平衡以及抗生素抗性的发展和演变
展望
原生动物是细菌结构和功能的关键调节剂，它们与细菌的捕食与被捕食作用可能会对与抗生素抗性施加一定的选择压力。这篇综述提出了一个框架来量化原生动物对陆地生态系统中ARGs进化的重要性（图3）：在田间研究或基于实验室的微观实验中，通过深入分析，对群落中的土著生物和细菌进行研究，包括（1）分子分析（高通量测序，定量PCR和高通量分析）。通过原生动物、细菌和ARGs的相对丰度和多样性来估算影响水平；（2）生化和分子分析（宏基因组、蛋白组学和代谢组学），以鉴定细胞活性以及原生动物和细菌的代谢产物；（3）邻位连接技术检测宏基因组材料的来源，例如ARGs；（4）测定土壤的渗透性，以确定土壤微生物和ARGs的结构和分布。简而言之，理解微生物相互作用的机制将为ARGs进化和传播的预测和管理奠定基础，为防控具有抗生素抗性的病原菌提供理论依据。
图3 一个拟议的框架来量化原生动物对土壤中ARGs的进化和细菌动力学的重要性
论文信息
原名：Microbial regulation of natural antibiotic resistance: Understanding the protist-bacteria interactions for evolution of soil resistome
IF2019：5.03
发表时间：2019
通讯作者：Hang-Wei Hu
通讯作者单位：墨尔本大学兽医与农业科学学院