长期植稻年限序列土壤耐药组演替特征_林辉.pdf

农业环境科学学报Journal of AgroEnvironment Science2022，41（12）:2711-27212022年12月林辉，成琪璐，邹平，等.长期植稻年限序列土壤耐药组演替特征J.农业环境科学学报,2022,41（12）：2711-2721.LIN H,CHENG Q L,ZOU P,et al.Succession characteristics of soil resistome in paddy soil chronosequences J.Journal of Agro-Environment Science,2022,41（12）：2711-2721.开放科学OSID长期植稻年限序列土壤耐药组演替特征林辉，成琪璐，邹平，孙万春，俞巧钢，叶静，陈照明，马军伟*（农产品质量安全危害因子与风险防控国家重点实验室，浙江省农业科学院环境资源与土壤肥料研究所，杭州 310021）Succession characteristics of soil resistome in paddy soil chronosequencesLIN Hui,CHENG Qilu,ZOU Ping,SUN Wanchun,YU Qiaogang,YE Jing,CHEN Zhaoming,MA Junwei*（State Key Laboratory for Managing Biotic and Chemical Threats to the Quality and Safety of Agro-products,Institute of Environment,Resource,Soil&Fertilizer,Zhejiang Academy of Agricultural Sciences,Hangzhou 310021,China）Abstract：Two paddy soil chronosequences in the south bank of Hangzhou Bay（Shangyu：302 000 a;Cixi：92 000 a）,which had beenpreviously identified,were used to characterize the succession of paddy soil resistome during long-term rice planting,to expand thescientific understanding of the formation and development of paddy soil.The occurrence,abundances,and diversity of 320 antibioticresistance genes（ARGs）in different soil depths（arable layer,plow pan,and C-horizon）and their succession were studied using high-throughput quantitative polymerase chain reaction（HT-qPCR）.Results indicated that 289 ARGs were detected in two paddy soilchronosequences with aminoglycosides and multidrug resistant ARGs as the most diverse.A total of 181 ARGs were shared between bothsoil chronosequences.The principal coordinate analysis（PCoA）result showed that the composition of ARGs in Shangyu and Cixi paddysoil sequences were significantly different,partly reflected in the number of ARGs subtypes.Cixi had 108 unique ARGs,which did not收稿日期：2022-10-12录用日期：2022-11-22作者简介：林辉（1986），女，浙江温州人，博士，研究员，主要从事环境污染物的生物降解与修复研究。E-mail：*通信作者：马军伟E-mail：基金项目：国家自然科学基金项目（41977328）Project supported：The National Natural Science Foundation of China（41977328）摘要：以杭州湾南岸两个前期已鉴定的跨2 000 a的水稻土序列（上虞：302 000 a；慈溪：92 000 a）为模型，探究长期植稻下稻田土壤耐药组演替特征，以期拓展对人为水耕土土壤耐药组形成与发展趋势的科学认识。研究采用了高通量荧光定量PCR（HT-qPCR）技术，分析了不同土壤深度（耕作层、犁底层、母质层）下水稻土序列中320个耐药基因（ARGs）的检出情况、丰度、多样性及其随植稻年限的变化规律。结果表明：两个水稻土序列共检出289种ARGs，以氨基糖苷类和多重耐药类ARGs最为丰富多样，两个地区共有181种ARGs。主坐标分析（PCoA）结果指出，上虞和慈溪水稻土序列的ARGs组成存在显著差异，部分体现在ARGs亚型数量上。慈溪持有108种在上虞水稻土序列中不存在的ARGs，但85%的慈溪特有ARGs在植稻100 a后消失。因此，随植稻年限增加，不同地区水稻土序列在ARGs亚型数量上的差异缩小，在植稻千年后趋于接近。同时，随着植稻年限增加，水稻土耕作层、犁底层和母质层土壤间的ARGs亚型数量差异缩小。进一步研究发现，杭州湾南岸水稻土序列的ARGs丰富度和多样性随耕作年限的增加整体呈衰减趋势，同时伴随ARGs相对丰度的上升，其中相比耕作层和犁底层，母质层ARGs与植稻年限间的相关性达到了显著（P0.05）或极显著（P0.01）水平。综上，时间驱动了稻田土壤耐药组发展，而植稻年限对母质层中ARGs组成有强烈的塑造作用。在杭州湾南岸，新生稻田土壤（50 a）比成熟稻田土壤（1 000 a）拥有更为丰富的ARGs亚型但更低的ARGs相对丰度。水稻土序列中细菌丰度与ARGs相对丰度呈显著负相关，进一步暗示成土过程中ARGs演替与微生物间的密切关联。关键词：水稻土；土壤序列；土壤耐药组；抗生素抗性基因；演替中图分类号：S151.9文献标志码：A文章编号：1672-2043（2022）12-2711-11doi:10.11654/jaes.2022-1022农业环境科学学报第41卷第12期抗生素耐药基因（又称抗生素抗性基因，Antibiotic resistance genes，ARGs，简称耐药基因）是自然且古老的，不依赖于抗生素时代的到来而存在的，是自然界中的微生物应对竞争和逆境而产生的1。研究学者认为，抗生素时代之前的水平基因转移是任何种属细菌间的双向转移，而抗生素的应用所形成的选择压力则可能打破这种双向转移的平衡增加其在耐药菌中的转移，加速抗生素耐药性的发生和扩散2。因此，人类活动和自然环境变化都会影响环境耐药组（Resistome）的分布和组成，而这种变迁进化可能在一定程度上又加剧了抗生素耐药性危机。水稻土是中国重要的土地资源，也是面积最大、分布最广的耕地土壤类型3。稻田作为一种典型的人为土壤，其生物理化性质受自然和人为活动的双重影响。ARGs在中国稻田土壤中具有普遍性，在ARGs组成和丰度上均与活性污泥、沉积物存在较大差异4。科学家已知施肥、灌溉等行为均会影响土壤ARGs多样性和丰度5-6，亦从空间尺度探究了稻田土壤分布规律4，7。但对于稻田土壤耐药组的演化研究还有待加强，相关研究有助于认识稻田土壤质量的培育方向和演变趋势，同时关系到健康水稻土生态系统的建设，但如何研究长达数百年至数千年的土壤耐药组进化过程是一个巨大的挑战。土壤时间序列方法是一种以空间替代时间的方法，利用一系列发育于相同的气候、植被、地形和母质的土壤样品组成土壤序列，将土壤的空间差异转化为时间差异，这种土壤序列可以根据时间表来进行划分，给未知年代的土壤添加一个相对时间，由此研究特定地区环境下土壤特征随时间的变化，已被应用于推断植被发展、土壤发育、土壤微生物和动物群落、植物根际微生物组的演替8-10。土壤时间序列亦被应用于土壤耐药组的进化研究。SHEN等11报道其采用新疆乌鲁木齐河源1号冰川一个跨越50 a的冰川前沿退缩地土壤序列，揭示了耐药基因沿早期冰川时序变化的演替模式，指出在冰川演替的早期阶段，可移动元件（MGEs）的时序变化对耐药基因演替模式做出了重大贡献。CHEN等12借助16个全球分布、跨度从几个世纪到几千年、涵盖不同生态系统的土壤时间序列，揭示长时间尺度下成土过程中土壤耐药组变化。尽管土壤时间序列的构造存在一定问题，它所记录的历史只是过去的一部分，甚至带有一定的偏见，但毫无疑问，它仍是探测土壤演化速率和方向的强大工具13。目前认为结合分层取样、多元统计和数学建模的方法有助于弥补土壤序列的不足，更好地分析时间序列数据的离散性和进化中因素的复杂性，从而帮助反映土壤理化和生物过程的演变。杭州湾南岸的慈溪、上虞一带分布着不同种植年限的水稻土时间序列（图1）。这些水稻土发育于同种浅海沉积物，有着相同的水（稻）-旱（作）轮作制度，是研究稻田土壤质量演变的珍贵材料。前期土壤学家们利用杭州湾南岸的水稻土时间序列，在土壤有机碳库、矿物及微生物群落的时空演化特征上获得了重要科学发现14-18。本研究利用杭州湾南岸的慈溪和上虞地区分布的水稻土时间序列，初步探讨杭州湾南岸水稻土序列剖面中土壤耐药组沿着植稻年限变化的演替特征，为拓展人类对围垦稻田土壤中耐药基因库变迁的科学认识提供支持。1材料与方法1.1 研究区概况杭州湾全境在公元前4 000 a前均位于海底，经过历代长时期围涂筑堤，形成了大量海塘，其中有两exist in Shangyu soil samples;however,85%of those ARGs disappeared after 100 a of rice planting.Therefore,long-term rice plantingreduced the difference in the number of ARGs subtypes between different regions，but became closer after thousands of years of soildevelopment.With the increase in rice planting years,the difference in the number of ARGs subtypes among different soil depths alsoreduced.Our results further showed that the richness and diversity of ARGs in paddy soil chronosequences declined after thousands ofyears of rice planting,whereas the ARGs abundance showed an increasing trend.The relationship between ARGs and time was moresignificant in the C-horizon compared with that in the arable layer and plow pan soils,and it reached a significant（P0.05）or