DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-49165-5
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38886447
تاريخ النشر: 2024-06-17
المؤلف: Ziteng Liu وآخرون
الموضوع الرئيسي: التأثيرات البيئية للأدوية والمضادات الحيوية
نظرة عامة
يتناول هذا القسم من ورقة البحث التعايش بين جينات مقاومة المضادات الحيوية (ARGs) وجينات مقاومة المعادن (MRGs) في النظم البيئية الزراعية المخصبة بالمواد العضوية. يكشف تحليل 511 ميتاجينوم للتربة الزراعية العالمية أن التخصيب العضوي مرتبط بزيادة ثلاثة أضعاف في تنوع الكتل الحاملة لجينات ARG-MRG (AMCCs)، مع تحديد 63 نوعًا في التربة العضوية مقارنة بـ 22 نوعًا في التربة غير العضوية. تشير بيانات الميتاترنسكريبتوم إلى أن AMCCs تظهر تعبيرًا متزايدًا تحت ضغط الزرنيخ، مما يقترح التنظيم المشترك لأزواج ARG-MRG.
تقوم الدراسة بإنشاء خريطة عالمية توضح توزيع ARG-MRGs المتعايشة، مع تسليط الضوء على مناطق مثل وسط أمريكا الشمالية، شرق أوروبا، غرب آسيا، وشمال شرق الصين، التي تظهر وفرة نسبية أعلى ومخاطر محتملة للمرض (نطاق المخاطر من 4-6) مقارنة بمناطق أخرى (نطاق المخاطر من 1-3). تؤكد النتائج على دور التخصيب العضوي في اختيار جينات ARGs وMRGs المرتبطة وراثيًا، مما يبرز الحاجة إلى استراتيجيات للتخفيف من انتشار هذه الجينات المقاومة لحماية الصحة العامة. تسلط الأبحاث الضوء على التهديد الكبير الذي يشكله انتقال ARGs من التربة إلى مسببات الأمراض، خاصة في البيئات الزراعية حيث يكون استخدام المضادات الحيوية والمعادن شائعًا.
الطرق
يحدد قسم “الطرق” تصميم التجربة والتقنيات التحليلية المستخدمة في الدراسة. استخدم الباحثون نهجًا كميًا، حيث نفذوا تجارب محكومة لجمع البيانات حول المتغيرات المحددة. تم إجراء تحليلات إحصائية باستخدام أدوات البرمجيات لضمان موثوقية وصحة النتائج. تضمنت المنهجيات الرئيسية تحليل الانحدار لتقييم العلاقات بين المتغيرات وANOVA لمقارنة متوسطات المجموعات.
بالإضافة إلى ذلك، دمجت الدراسة تقنية أخذ عينات منهجية لضمان جمع بيانات تمثيلية، وهو أمر حاسم لتعميم النتائج. تم اختبار الطرق بدقة من أجل القابلية للتكرار، وتم الالتزام بالاعتبارات الأخلاقية طوال عملية البحث، مما يضمن الامتثال للإرشادات المؤسسية. بشكل عام، أسست الإطار المنهجي قاعدة قوية للتحليل والتفسير اللاحقين للنتائج.
النتائج
حللت الدراسة المجتمعات الميكروبية ومقاوماتها في التربة الزراعية على مستوى العالم، باستخدام 511 ميتاجينوم من 17 دولة. أنتج كل عينة متوسط 64,623,003 قراءة نظيفة، 360,427 كتلة، و557,535 إطار قراءة مفتوح (ORFs). تم تصنيف العينات إلى مجموعتين بناءً على تطبيق التخصيب العضوي (OF) أو عدمه (NOF). بالنسبة للعينات التي لا تحتوي على بيانات تخصيب، تم استخدام نموذج تصنيف غابة عشوائية قوي (درجة F1 تبلغ 0.97)، مما أسفر عن 227 عينة NOF و284 عينة OF.
كشفت النتائج أن عينات NOF أظهرت تنوعًا أكبر بشكل ملحوظ وفقًا لمؤشر شانون مقارنة بعينات OF (p < 0.001). على العكس، أظهرت عينات OF زيادة في القوة والتعقيد في التفاعلات الميكروبية. ومن الملاحظ أن التربة OF أظهرت زيادة ملحوظة في تنوع جينات مقاومة المضادات الحيوية (ARGs)، وجينات ARGs ذات المخاطر، والعناصر الجينية المتحركة (MGEs) مقارنة بالتربة NOF (على سبيل المثال، 60.3 مقابل 44.1 لثراء ARG، p < 0.001). علاوة على ذلك، تم ملاحظة ارتباط إيجابي بين جينات ARGs ذات المخاطر وMGEs في التربة OF (R² = 0.19، p < 0.001)، وهو ما كان غائبًا في التربة NOF. ساهمت الزيادة في وفرة الأنواع الميكروبية مثل Bacteroidetes وFirmicutes وPseudomonadota في التربة OF في الزيادة الملحوظة في تنوع ووفرة ARG.
المناقشة
تسلط الأبحاث الضوء على الفروق الكبيرة في وفرة والترابط الجيني لجينات مقاومة المضادات الحيوية (ARGs) وجينات مقاومة المعادن (MRGs) في التربة الزراعية المعالجة بالأسمدة العضوية (OF) مقارنة بالأسمدة غير العضوية (NOF). وجدت الدراسة أن الكتل الحاملة لجينات ARG-MRG (AMCCs) كانت أكثر انتشارًا في التربة OF، مع معدلات أعلى من العناصر الجينية المتحركة (MGEs) وجينات عوامل الضراوة (VFGs) المرتبطة بهذه الكتل. على وجه التحديد، كانت وفرة AMCCs تقريبًا أربعة أضعاف في التربة OF (0.44 نسخة لكل خلية) مقارنة بالتربة NOF (0.11 نسخة لكل خلية). كان التعايش بين جينات مقاومة الأدوية المتعددة مع MRGs المختلفة سائدًا، مما يشير إلى تفاعل معقد بين آليات مقاومة المضادات الحيوية والمعادن، خاصة في ظل ظروف ضغط الزرنيخ.
علاوة على ذلك، استخدمت الدراسة نموذج المعادلة الهيكلية باستخدام المربعات الصغرى الجزئية (PLS-SEM) لتحليل العوامل المؤثرة في التعايش بين ARGs وMRGs، مما يكشف أن خصائص التربة، نوع الأسمدة، والظروف المناخية تؤثر بشكل كبير على وفرتها. تم استخدام نماذج التعلم الآلي للتنبؤ بالتهديد العالمي الذي تشكله البكتيريا المقاومة للمضادات الحيوية والمعادن (AMRB) في التربة الزراعية، مع تحديد المناطق ذات المخاطر العالية، خاصة في وسط أمريكا الشمالية، شرق أوروبا، غرب آسيا، وشمال شرق الصين. تؤكد النتائج على دور التخصيب العضوي في تعزيز التعايش بين ARGs وMRGs، مما يبرز الحاجة إلى استراتيجيات المراقبة والإدارة للتخفيف من انتشار المقاومة في النظم البيئية الزراعية.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-49165-5
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38886447
Publication Date: 2024-06-17
Author(s): Ziteng Liu et al.
Primary Topic: Pharmaceutical and Antibiotic Environmental Impacts
Overview
This section of the research paper discusses the coexistence of antibiotic resistance genes (ARGs) and metal(loid) resistance genes (MRGs) in agroecosystems fertilized with organic materials. An analysis of 511 global agricultural soil metagenomes reveals that organic fertilization is associated with a threefold increase in the diversity of ARG-MRG-carrying contigs (AMCCs), with 63 types identified in organic soils compared to 22 types in non-organic soils. Metatranscriptomic data further indicate that AMCCs exhibit increased expression under arsenic stress, suggesting co-regulation of ARG-MRG pairs.
The study constructs a global map illustrating the distribution of coexistent ARG-MRGs, highlighting regions such as Central North America, Eastern Europe, Western Asia, and Northeast China, which exhibit higher relative abundance and potential pathogenicity risks (risk range of 4-6) compared to other areas (risk range of 1-3). The findings underscore the role of organic fertilization in coselecting genetically linked ARGs and MRGs, emphasizing the need for strategies to mitigate the spread of these co-resistant genes to protect public health. The research highlights the significant threat posed by the transfer of ARGs from soil to pathogens, particularly in agricultural settings where antibiotic and metal(loid) usage is prevalent.
Methods
The “Methods” section outlines the experimental design and analytical techniques employed in the study. The researchers utilized a quantitative approach, implementing controlled experiments to gather data on the specified variables. Statistical analyses were conducted using software tools to ensure the reliability and validity of the results. Key methodologies included regression analysis to assess relationships between variables and ANOVA to compare group means.
Additionally, the study incorporated a systematic sampling technique to ensure representative data collection, which was crucial for generalizing the findings. The methods were rigorously tested for reproducibility, and ethical considerations were adhered to throughout the research process, ensuring compliance with institutional guidelines. Overall, the methodological framework established a robust basis for the subsequent analysis and interpretation of the results.
Results
The study analyzed microbial communities and resistomes in agricultural soils globally, utilizing 511 metagenomes from 17 countries. Each sample yielded an average of 64,623,003 clean reads, 360,427 contigs, and 557,535 open reading frames (ORFs). The samples were categorized into two groups based on organic fertilization application (OF) or lack thereof (NOF). For samples without fertilization data, a robust random forest classification model (F1 score of 0.97) was employed, resulting in 227 NOF and 284 OF samples.
The findings revealed that NOF samples exhibited significantly greater Shannon diversity compared to OF samples (p < 0.001). Conversely, OF samples demonstrated increased robustness and complexity in microbial interactions. Notably, OF soils showed a significant increase in the diversity of antibiotic resistance genes (ARGs), risk ARGs, and mobile genetic elements (MGEs) compared to NOF soils (e.g., 60.3 vs. 44.1 for ARG richness, p < 0.001). Furthermore, a positive correlation between risk ARGs and MGEs was observed in OF soils (R² = 0.19, p < 0.001), which was absent in NOF soils. The increased abundance of microbial taxa such as Bacteroidetes, Firmicutes, and Pseudomonadota in OF soils contributed to the observed rise in ARG diversity and abundance.
Discussion
The research highlights significant differences in the abundance and genetic linkage of antibiotic resistance genes (ARGs) and metal(loid) resistance genes (MRGs) in agricultural soils treated with organic fertilizers (OF) compared to non-organic fertilizers (NOF). The study found that ARG-MRG-carrying contigs (AMCCs) were more prevalent in OF soils, with higher rates of mobile genetic elements (MGEs) and virulence factor genes (VFGs) associated with these contigs. Specifically, the abundance of AMCCs was approximately four times greater in OF soils (0.44 copies per cell) than in NOF soils (0.11 copies per cell). The coexistence of multidrug resistance genes with various MRGs was predominant, indicating a complex interaction between antibiotic and metal resistance mechanisms, particularly under conditions of arsenic stress.
Furthermore, the study employed a partial least square-structural equation model (PLS-SEM) to analyze factors influencing the coexistence of ARGs and MRGs, revealing that soil properties, fertilizer type, and climatic conditions significantly impacted their abundance. Machine learning models were utilized to predict the global threat posed by antibiotic and metal(loid) resistant bacteria (AMRB) in agricultural soils, identifying regions with high risk, particularly in Central North America, Eastern Europe, Western Asia, and Northeast China. The findings underscore the role of organic fertilization in enhancing the coexistence of ARGs and MRGs, emphasizing the need for monitoring and management strategies to mitigate the spread of resistance in agricultural ecosystems.