青藏高原哺乳动物肠道微生物组与抗生素 抗性基因研究的重大突破

青藏高原是世界屋脊，更是当今世界上最为独特的地质 - 地理 - 生态单元。青藏高原的高海拔环境孕育了大量的野生动物和典型家畜，包括野牦牛、藏野驴、藏原羚、雪豹等旗舰物种，其丰富的生物多样性为微生物组研究提供了珍贵的天然实验室。而与这种多样性形成对照的是，现今全球抗生素耐药性问题日益严峻，人类对青藏高原动物的肠道微生物及其抗生素抗性基因（ARG）的认识仍然十分有限。为了解决这一问题，了解抗生素抗性基因在不同生态系统中的分布和传播机制至关重要。

近期，云南大学张志刚研究员团队（以下简称“团队”）在青藏高原哺乳动物肠道微生物组与抗生素抗性基因研究方面取得了重要进展。团队以大规模宏基因组为技术路线，系统采集并分析了来自青藏高原不同区域、不同海拔、不同生态类型的哺乳动物样本，建立了迄今为止规模最大、最全面的青藏高原哺乳动物肠道微生物基因组数据库。研究成果为理解高原环境下微生物组特征及抗生素抗性基因传播机制提供了重要科学依据。

图1 张志刚研究员

1 主要研究成果及创新点

宏基因组学技术概念提出于 1998 年，它可以规避绝大部分微生物不能培养、痕量菌无法检测的缺点，在各种高通量测序技术分析方法迅猛发展的今天，这一技术已成为微生物群体基因组信息研究的前沿技术。团队充分运用这一技术手段，针对青藏高原生态系统开展了长时间的研究工作，在抗生素抗性基因的分布与传播方面取得了诸多原创性成果。

1.1 青藏高原哺乳动物肠道微生物组与抗生素抗性基因谱系的全景调查

2019—2022 年，团队采集了 2561 份来自 14 种哺乳动物（涵盖人类、家畜和野生动物）的肠道宏基因组样本。通过宏基因组组装、严格的分箱与质量控制，共重建了 112 313 个宏基因组组装的基因组（MAG），并聚类为 21 902 个物种水平基因组单元（SGB），其中86% 的物种水平基因组单元在现有数据库中未被注释，表明青藏高原哺乳动物肠道微生物包含大量未被识别的物种资源（图 2）。

图2 研究队列设计示意图

1.2 揭示青藏高原抗生素抗性基因的分布特征和传播风险

通过对高质量测序片段进行抗生素抗性基因注释，共识别 8598 个非冗余抗生素抗性基因，涵盖 28 类耐药类型。团队进一步采用抗生素抗性基因风险分类方法鉴定了 334 个高风险抗生素抗性基因，并在 536 个携带高风险抗生素抗性基因的微生物基因组中预测到2843 次水平基因转移事件。特别值得关注的是，其中 7 次涉及高风险抗生素抗性基因跨物种水平转移，且 3 次发生在人与非人类哺乳动物之间。

此外，研究发现大肠杆菌被鉴定为主要的抗生素抗性基因宿主之一，其基因组通常携带多种耐药基因。青藏高原人群的肠道抗生素抗性基因的丰度和高风险抗生素抗性基因的丰富度普遍高于来自低海拔地区的人群，而青藏高原家畜的抗生素抗性基因丰度则低于其他地区的家畜，提示抗性基因分布受多种区域性驱动因子影响。尽管青藏高原哺乳动物肠道菌群中大多数核心抗生素抗性基因被归类为低风险，但人类与家畜之间共享的若干高风险核心抗生素抗性基因仍提示存在潜在传播路径（图 3）。

图3 青藏高原哺乳动物抗生素抗性基因的宿主及潜在转移风险评估

1.3 阐明工业化进程对中国人群肠道微生物组和抗性组的深刻影响

人类肠道内拥有多样化的微生物群落，不同的生活方式、生存环境和社会经济因素等都会导致这些微生物在组成和功能上出现差异。抗生素抗性基因可以在人类、动物和环境中传播和进化，环境和动物研究表明，中国东部地区面临的抗生素压力明显高于西部地区，但东西部人群肠道微生物组和抗性组的系统比较研究仍然缺乏。

团队采用宏基因组学技术，对 1382 名健康中国人的肠道样本进行了分析，其中来自东部工业化发达地区（包括北京、上海、香港、广州、江苏和浙江等地）共415 个样本，来自西部工业化发展中地区（云南、四川和西藏等地）共 967 个样本。结果表明，东部地区人群相比西部地区人群的肠道微生物组成与功能个体差异更大，但相应地，其肠道微生物多样性显著低于西部地区人群。

研究结果还表明，在论及肠道微生物携带的抗生素抗性基因丰度（即关注样本中抗生素抗性基因“有多少”的衡量指标）和丰富度（即关注样本中抗生素抗性基因种类“有多少”的衡量指标）时，东部人群均低于西部人群。但两地区人群肠道微生物携带的抗生素抗性基因种类亦有地区差异——团队研究了东西部人群普遍流行的 12 种核心抗生素耐药基因类型，发现 β 内酰胺和氯霉素耐药基因的平均相对丰度在东部人群中显著较高，而四环素、氨基糖苷类、多黏菌素等 8 种耐药基因的平均相对丰度在西部人群中显著较高。

团队还发现人均国内生产总值增加可能与肠道潜在病原体和抗生素抗性基因亚型的丰富度降低相关。研究首次大尺度地揭示了工业化进程不仅显著改变了中国东西部人群肠道微生物组成、结构和功能，还在很大程度上影响了其携带的抗生素抗性基因多样性。

此外，在分析中国人群肠道菌群时，团队共鉴定出638 097 个非冗余移动遗传元件（MGE），发现与整合或切除功能相关的非冗余移动遗传元件平均丰度最高，而与稳定 / 转移 / 防御功能相关的非冗余移动遗传元件平均丰度最低。非冗余移动遗传元件的丰度与人均国内生产总值以及个体内抗生素抗性基因丰度呈正相关。虽然经济增长降低了中国人群肠道抗生素抗性基因的丰富度，但增加了肠道菌群中非冗余移动遗传元件的丰度。从公共卫生的角度来看，这一发现尤其令人担忧，因为它表明经济发展虽然改善了某些地区的整体健康状况，但可能无意中促进了抗生素耐药性的传播（图 4）。

图4 工业化对中国人群肠道菌群和抗生素抗性基因的影响

2 经济效益和社会效益

21 世纪初，重症急性呼吸综合征（SARS）的暴发引起全球对公共卫生的共同关注，兽医学家威廉·卡雷什（William Karesh）首次提出“One Health”（同一健康）理念。随着公共卫生研究的发展，“One Health”理念逐渐成为了全球共识，这是一种整合性公共卫生理念，它强调人类健康、动物健康、生态环境健康并非割裂的存在，而是紧密联系、相互依存影响的统一体。目前，这一理念框架提倡跨学科、跨部门、跨区域合作以改善人类、动物的生存生活质量，实现人类、动物和自然环境的整体健康。其中，抗生素耐药性问题便是“OneHealth”理念下亟待解决的重要问题之一。2015 年第68 届世界卫生大会通过了《抗微生物药物耐药性全球行动计划》，计划明确提出，要在“One Health”框架的指引下联合全球多部门开展联合治理活动以维护人类、动物、环境同一健康。

在这一背景下，团队的工作便是“One Health”理念核心价值的鲜明体现。他们识别出诸多青藏高原特有的微生物资源，为开发新型益生菌产品和生物制品提供了潜在的菌种资源。同时，研究成果对优化青藏高原地区的畜牧业管理具有重要指导意义，有助于提高畜产品质量和安全性，促进当地畜牧业可持续发展。

除此之外，团队的成果大幅提升了对青藏高原生态系统的认识，为该地区的生态保护和可持续发展提供了科学支撑，尤其是工业化进程对人群肠道微生物影响的研究有效地助力有关部门更加科学合理地制定公共卫生政策。相关工作得到了第二次青藏高原综合科学考察研究课题、云南省“兴滇人才支持计划”（云岭学者）项目、国家自然科学基金项目等资助，这些都是国家对青藏高原生态环境和公共卫生研究高度重视的体现。

在全球抗生素抗性防控的大背景下，团队并未止步于现有的成果，他们倡议在“One Health”框架下开展长期、多部门联动的环境 - 动物 - 人群监测，并开展功能验证与机制研究以评估实际传播风险，以期更好地理解和应对抗生素抗性这一全球性挑战。在人类与自然和谐共生的道路上，这样的科学研究将继续发挥不可替代的作用。

专家简介

张志刚，博士，云南大学研究员，博士生导师，云南大学省部共建云南生物资源保护与利用国家重点实验室、肠道微生物组整合生物学研究实验室负责人。入选“兴滇人才支持计划”云岭学者、云南省中青年学术和技术带头人、云南省“万人计划”青年拔尖人才，现任中国生物物理学会肠道菌群分会理事。长期从事肠道微生物整合生物学研究及教学工作，研究方向聚焦于动物肠道微生物与适应性进化的关系。以（共同）通信作者发表 SCI 期刊论文 36 篇、（共同）第一作者发表 4篇，其中包括Current Biology（3篇）、Genome Biology（1 篇）、American Journal of Gastroenterology（1 篇 ）、The International Society for Microbial Ecology Journal（1篇 ）、National Science Review（1 篇 ）、NPJ Biofilms and Microbiomes（3 篇）。研究成果累计 被 Nature、Science、Cell、Nature Reviews Microbiology、Nature Microbiology、Nature Medicine、Cell Host & Microbe 等期刊引用超过 2000 次，其中 1 篇论文被 Web of Science 评为高被引用论文，1 篇被《2021 年中国科技论文统计报告》评为中国百篇最具影响国际学术论文，1篇被选为National Science Review 封面文章，2 篇被 F1000 系统重点推荐。主持国家自然科学基金面上项目、国家自然科学基金 - 云南联合基金重点项目、第二次青藏高原综合科学考察研究课题、云南省重大科技专项项目等国家、省部级项目或课题 8 项。获授权中国发明专利 1 件（用于提高断奶仔猪生长性能和免疫功能的藏猪源菌剂组合，ZL202210294554.1），登记软件著作权1 件。作为第一出品人发布全球首部第二次青藏高原综合科学考察自然纪录片《我们的生物多样性——卓乃湖》，2023 年在央视纪录片频道全球播放。获 2019 年云南省自然科学奖一等奖。

田晨，云南大学博士研究生，研究方向为哺乳动物肠道微生物和抗生素耐药性。目前已发表 SCI 期刊论文 7 篇，参编著作 2 部，曾获得感恩中国近现代科学家奖学金、硕士研究生云南省政府奖学金和博士研究生国家奖学金等荣誉。