杀菌剂氢氧化铜对细菌抗生素敏感性和烟曲霉抗真菌药物敏感性的影响及其机制

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细菌对抗生素抗药性和病源真菌烟曲霉对三唑类医药抗药性严重影响了当前临床中的抗菌治疗,其来源和控制受到广泛关注。铜基杀菌剂的使用可导致土壤中铜的积累,可能会为土壤中细菌抗生素抗性药的形成提供选择压力,促进细菌形成抗药性。同时,三唑类杀菌剂可诱导人类病原真菌烟曲霉cyp51A突变和过表达、外排基因过表达等产生抗药性,铜离子可与细胞内的巯基(-SH)、氨基(-NH2)、羧基(-COOH)、羟基(-OH)等官能团结合导致蛋白质的错误折叠以及改变细胞膜的通透性,铜基杀菌剂的使用也有可能使烟曲霉产生抗药性。为此,本文分别在液体培养基环境和土壤环境下,研究了:1)氢氧化铜制剂对敏感型大肠杆菌抗生素敏感性的影响及其可能机制、氢氧化铜污染土壤中抗性基因(ARGs)和可移动遗传元件(MGEs)丰度,以期解析氢氧化铜制剂诱导大肠杆菌产生抗生素抗药性的可能性和机制及其对土壤中ARGs传播与扩散的作用;2)氢氧化铜制剂对烟曲霉敏感性的影响及其潜在机制,为烟曲霉抗药性的形成提供新的认识。主要研究结果如下:(1)在液体培养基中,经过氢氧化铜连续诱导后,共分离到5株具有遗传稳定性的抗性大肠杆菌。挑选了2株具有高抗性的菌株进行抗性机制的探究,抗性菌株K12-200-21d的外排和细胞膜通透性相关基因(fts Q、acr B、env Z、icd)发生突变;抗性菌株K12-100-21d的调控基因(mar R)和ATP结合盒转运体基因(ara F)发生突变。此外,两株抗性菌株中外排基因(acr A、acr B、tol C和mar A)的表达量为敏感菌株的1.15~5.88倍(除菌株K12-100-21d的tol C基因表达量为敏感菌株的0.77倍);膜孔蛋白基因(omp F和omp C)的表达量显著降低了1.92~16.67倍;氧化应激相关基因(sox S、sox R和rec A)的表达量为对照菌株的1.66~4.21倍。因此,经氢氧化铜诱导后大肠杆菌抗药性的形成可能与上述的基因突变以及基因相对表达量的变化有关。(2)敏感型荧光标记大肠杆菌E.coli K12-gfp在含氢氧化铜(200 mg/kg)的土壤中暴露42 d,产生了对四环素的抗药性和氯霉素的耐受性,命名为GR-42。菌株GR-42中基因未发生突变,其外排基因(acr A、acr B、tol C和mar A)、膜孔蛋白基因(omp F和omp C)、氧化应激相关基因(sox S、sox R和rec A)的相对表达量分别为敏感菌株的1.84~6.77倍、0.61~0.65倍、2.25~3.31倍。这些基因表达量的变化可能是菌株GR-42抗药性形成的主要原因。此外,随着氢氧化铜浓度和暴露时间的增加,土壤中分离到的四环素耐药菌和氯霉素耐药菌的数量也有所增加。(3)氢氧化铜可使土壤中ARGs和MGEs的绝对丰度显著升高。氢氧化铜暴露42 d后,土壤中多重耐药类抗性基因、氨基糖苷类抗性基因、喹诺酮类抗性基因、四环素类抗性基因和MGEs丰度较对照组分别增加了114.17~188倍、68.46~232.78倍、158.54~484.18倍、81.92~119.07倍、84.49~146.96倍。在氢氧化铜胁迫下,土壤中变形菌门(Proteobacteria)的相对丰度相比对照组有所增加,而酸杆菌门(Acidobacteria)的相对丰度则减少。普鲁克分析表明ARGs和微生物群落结构之间具有较好的相关性(M~2=0.547,r=0.67,P=0.015),ARGs和MGEs之间具有显著的相关性(M~2=0.337,r=0.88,P=0.001)。ARGs和MGEs主要的潜在宿主细菌分别为芽单胞菌门(Gemmatimonadetes)、疣微菌门(Verrucomicrobia)、绿弯菌门(Chloroflexi)、浮霉菌门(Planctomycetes)和厚壁菌门(Firmicutes)。(4)敏感型潮霉素标记的烟曲霉菌株HS345经氢氧化铜诱导后形成三唑类医药的抗药性,诱导获得5株抗性烟曲霉菌株,其中3株菌株(HL-1、HL-3、HL-7)具有遗传稳定性。这3株抗性菌株的cyp51A基因均未发生突变。抗性菌株HL-1的外排基因Atr F、Afu MDR1、Afu MDR2、Afu MDR4和cyp51A基因的表达量分别为对照菌株HS345的1.96~11.59倍;抗性菌株HL-3的Atr F、cyp51A基因的表达量为对照的9.28倍、2.58倍;抗性菌株HL-9的Atr F、Afu MDR1、Afu MDR2基因的表达量为原始菌株的5.44~14.40倍。(5)在模拟氢氧化铜污染土壤中,共分离到了16株抗性烟曲霉菌株,在不含药的PDA平板上,连续转接15次后,仅有5株仍保持抗性。这5株抗性菌株的cyp51A基因均未发生突变。对其进行基因表达量的检测发现,抗性菌株HS11-56和HS10-84的外排基因Afu MDR4的表达量变化最明显,分别为亲本菌株的6.14倍和7.12倍;抗性菌株HS17-84、HS21-84和HS22-84的Atr F基因的相对表达量增加最为显著,分别为对照菌株的8.95~13.65倍。本研究结果表明氢氧化铜制剂可以诱导大肠杆菌形成抗生素抗药性和烟曲霉形成三唑类医药抗药性,为细菌抗药性和烟曲霉抗药性的获得途径提供了新的认识,也为加强农业上铜制剂的合理使用提供科学依据。
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