抗生素抗性细菌对食细菌线虫繁殖能力的影响机制

The influence of large amounts of medical and veterinary antibiotics on soil ecosystem has aroused general attention by the scholar in domestic and abroad. However, as the antibiotic resistance gene is an emerging pollutant, less studies focused on the effect of antibiotic resistance gene on soil biota, especially the effect of antibiotic resistant bacteria on the behavior characteristics of its predators, such as growth and reproduction. Our previous work found the egg laying amount of C. elegans was significantly increased when feed on E. coli which carry on gentamycin resistance gene. We tried to figure out the mechanism of this phenomenon from three aspects: the pattern of the reproduction, the regulatory pathway and gene pathway. We also test the phenomenon and mechanism in other resistance gene (e.g., ampicillin) and soil bacterial-feeding nematode (e.g., Acrobeloides). Our study could help to evaluate the potential influence of antibiotics on trophic cascade and functioning of soil ecosystem, and provide a new perspective to understand the interaction mechanism of antibiotic resistant bacteria and soil organisms, which would be useful to enrich and improve the theory of soil ecology.

抗生素滥用对土壤生态系统的影响逐渐受到国内外研究学者的关注。然而，抗生素抗性基因作为一类土壤新型污染物对土壤生物影响的研究较为缺乏；关于携带抗生素抗性基因的细菌对以细菌为食物来源的更高营养级土壤生物生长繁殖等行为特征影响的研究更是一片空白。基于上述背景，课题组前期将携带庆大霉素抗性基因的大肠杆菌喂食食细菌线虫C. elegans后发现其产卵量显著提高。为探明这一现象的内在机制，从食细菌线虫产卵量提高的表型特征、影响产卵量的调控路径及基因通路三方面来揭示抗生素抗性细菌对食细菌线虫繁殖能力的影响机制。并在携带其他抗生素 (例如，氨苄西林) 抗性基因的大肠杆菌和土著食细菌线虫 (例如，拟丽突属Acrobeloides) 中验证。本研究能够为评估抗生素对土壤生态系统的营养级联效应和结构功能的潜在影响提供依据；为揭示抗生素抗性细菌与土壤生物的互作机制及其在土壤生态系统中的环境行为提供一种新的视角。

质粒作为基因编辑技术的重要载体已经广泛地应用于农业、环境、医药、食品等各个领域，在解决世界农业、健康和生态等重大问题上具有极大的潜力。通过研究质粒载体的非目标效应，明确质粒对宿主的影响及其机制，对全面认识质粒载体的功能，更好的将质粒载体合理、安全的应用于基因工程中有重要意义。本项目利用食细菌线虫C. elegans繁殖的表型响应来检测质粒的非目标效应对宿主细菌的影响，并从质粒结构角度分析质粒组成元件对C. elegans繁殖的影响及作用途径，最终从宿主菌代谢方面探究质粒非目标效应对C. elegans繁殖的影响及分子机制。通过对实验室常用质粒的非目标效应进行检测，结果表明C. elegans适合作为质粒载体非目标效应的检测工具。与取食细菌E.coli OP50的C. elegans总产卵量相比，取食携带质粒pEX18Gm的E.coli OP50显著促进C. elegans的繁殖，其总产卵量提高20%。携带质粒pEX18Gm的E. coli OP50对C. elegans的其它表型包括寿命、虫体大小、抽咽率、虫体活性没有显著影响。通过对质粒pEX18Gm结构进行功能分析发现质粒pEX18Gm中促进线虫繁殖的作用元件是来源于复制子pMB1内的一段无复制功能的DNA片段，并且进一步发现质粒pEX18Gm中的功能DNA片段F2可能通过类似于增强子的作用模式以DNA的形式调控宿主菌代谢，并且发现细菌二氢叶酸还原酶和蛋氨酸合成酶是质粒pEX18Gm引起C. elegans繁殖增加的关键蛋白，并且质粒pEX18Gm是通过影响宿主菌的叶酸代谢和蛋氨酸代谢途径间接导致C. elegans的繁殖增加。本研究结果表明某些质粒载体在基因工程中的应用存在潜在的风险，因此需要对备选的基因编辑质粒载体进行全面的了解之后再进行合理的选择。