论文信息
论文题目：Comparison of microbial communities and the antibiotic resistome between prawn mono- and poly-culture systems
期刊：Ecotoxicology and Environmental Safety
IF：4.872
发表时间：2020
Highlights
- 对虾与其它物种混养会在养殖池沉积物内富集一些病毒和致病菌；
- 对虾与其它物种混养池塘中抗生素抗性基因的丰度和多样性均低于对虾单独养殖；
- 在对虾养殖池塘中可移动基因单元的水平基因转移是抗生素抗性组变化的主要贡献因素；
- 对虾养殖对特异性的选择质粒中的部分抗生素抗性基因。
研究背景
水产品是人类重要的食物来源之一，因此水产养殖业在近些年发展十分迅速，在这其中，海水养殖占有相当的比重。
斑节对虾Penaeus monodon具有很高的营养和经济价值，是我国重要的海水养殖物种之一。
近年来，对虾与其它物种的混合养殖由于具有环境友好性和更高的经济效益在我国发展迅速。
细菌群落在海水养殖环境中发挥了各种重要的作用，但是单一物种养殖和多物种混合养殖环境细菌群落组成的比较研究是非常少，我们对其中的差异所知有限。
与此同时，由于之前长期的抗生素滥用问题，海水养殖环境成为了抗生素抗性基因 (Antibiotic resistance genes, ARGs) 的一个热点区域。
虽然目前抗生素的使用被极大的限制住了，但是海水养殖环境中还可能存在很多其它因素导致ARGs的持续和富集。
技术路线
本篇文章分别采集了对虾单独养殖、对虾与海蜇混养以及对虾与海参混养池塘的沉积物样品，同时采集了未受海水养殖活动影响的近岸沉积物作为对照。
分别提取沉积物中的微生物总DNA、质粒DNA和噬菌体DNA，进行宏基因组测序。
共测定了18个样品，其中12个为微生物总DNA，包括3个对虾单独养殖、3个对虾与海蜇混养、3个对虾与海参混养以及3个对照沉积物。
另外6个样品分别为质粒和噬菌体各3个，分别对应3种养殖模式的样本。
针对微生物总DNA的宏基因组数据，使用MetaPhlAn2进行分类学注释，之后将注释结果与一个人类致病菌数据库进行比较，确定样本中潜在人类致病菌的组成和丰度，之后将数据与INTEGRALL和NCBI RefSeq数据库比对注释微生物总DNA中的整合子和质粒分析可移动基因单元 (Mobile genetic elements, MGEs)。
针对所有样本，均使用ARGs-OAP软件进行ARGs的注释，对于微生物总DNA使用copies of ARG per bacterial cell单位的ARGs丰度结果，由于质粒和噬菌体中不含有细菌16S rRNA基因，因此对所有样本ARGs进行比较时，使用ppm (one read in one million reads) 作为丰度单位。
结果和讨论
对虾单养与混养系统细菌群落的差异比较
PCoA表明不同样品间微生物群落分别聚类，表明不同的养殖模式会形成不同的细菌群落。
在对虾单独养殖池塘中，Flavobacteriaceae是最主要的细菌，丰度可以达到44.1%。Flavobacteriaceae经常与藻类同时出现，说明但对虾养殖模式可能会遭遇藻类的爆发，这与对虾单独养殖沉积物中总有机碳浓度较高相一致。
在对虾与海蜇混养池塘中，一种双链DNA病毒Phycodnaviridae的丰度达到了77.3%，近期有研究发现这种病毒出了对水生动物有影响之外，还有可能感染人类。
在对虾与海参混养池塘中，Xanthomonadaceae和Epsilonproteobacteria noname的丰度分别为41.3%和22.2，其中Xanthomonadaceae包含多种致病菌。
在非海水养殖对照中，Xanthomonadaceae、Piscirickettsiaceae和Nitrosopumilaceae是丰度排名前三的主要细菌。
在所有样本中，共识别到了18种潜在的人类致病菌，其中对虾单独养殖中包含11种，然而在只检出5种潜在人类致病菌的对虾与海参混养池塘中，其丰度却最高，这是由于对虾与海参混养中含有丰度较高的Ralstonia pickettii。
相比于对虾单独养殖模式，对虾与海蜇或海参混养可能具有更高的疾病爆发风险，因为其池塘沉积物中含有更高的病毒和致病菌。
对虾单养与混养系统抗生素抗性组差异
在所有沉积物样本中共检出了18个大类、162种ARGs，各样本中ARGs检出数目和丰度的聚类模式相同，对虾单独养殖池塘具有更高的ARGs多样性和总丰度。
PCoA同样表明，不同样本的抗生素抗性组分别聚类，并且部分对虾与海参混养样本的抗生素抗性组与对照组非常接近。
在对虾单独养殖池塘中，ARGs总丰度较高主要是由于多药物抗性基因的丰度较高，其次是杆菌肽抗性基因和未分类的抗性基因。
共有47种ARGs在所有样本中均有检出，占各样本ARGs总丰度的88.6%-96.4%，这表明对虾单独养殖ARGs丰度的升高主要是选择性的富集了土著的多药物和杆菌肽抗性基因。
对虾海水养殖系统中抗生素抗性组的传播机制
应用Mantel test和普氏分析评估抗生素抗性组与细菌群落结构和MGEs的相关性，发现在对虾养殖池塘样本中，抗生素抗性组与细菌群落结构没有显著的相关性，但是与MGEs显著相关。
进一步的VPA分析表明，细菌群落结构与MGEs的共同作用是影响对虾养殖池塘抗生素抗性组的主要驱动力，这其中MGEs相比于细菌群落结构更为重要。
对虾海水养殖特异性的富集质粒中的ARGs
PCoA表明，在不同的对虾养殖沉积物中，质粒内的抗生素抗性组与微生物总DNA和噬菌体均有明显不同。
质粒中ARGs的多样性和丰度均高于其对应的微生物总DNA，但是噬菌体中ARGs的多样性和总丰度却比较低，这表明对虾海水养殖对于质粒内的ARGs具有特异的选择性，但是对噬菌体没有明显作用。
在微生物总DNA、质粒和噬菌体中，共有54种ARGs在所有样本中均有检出，这些ARGs分别占到总ARGs丰度的96.8%、62.3%和95.8%。
三元相图表明，多种ARGs在质粒中被特异性的富集，其中包括rosA、rosB、ksgA、以及多种多药物抗性基因。
另外分析在质粒中特有的ARGs，发现其中大部分为多药物抗性基因，最主要的是ompF。
