氟苯尼考耐药基因floR及其传播载体在鸡肠道菌群中的分布及扩散机制研究

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动物源细菌耐药性是公共卫生和食品安全的重大威胁,受到广泛的关注。养殖动物肠道由于长期经受抗菌药物选择性压力,成为耐药基因传播扩散过程中的“发生器”和“放大器”,肠道细菌群落由丰富多样的细菌物种组成,为抗生素耐药基因在种内和种间的水平交换提供良好的环境。但遗憾的是,目前对于耐药基因在肠道中的传播扩散机制知之甚少。因此,本研究通过培养获取鸡肠道菌群中的floR耐药菌株,从菌种和菌株水平深入研究floR基因在肠道内的分布特征和传播转移机制,为理解耐药基因在肠道内的产生、传播及分布奠定基础,为进一步控制耐药基因的散播提供理论依据。本研究以肠道菌群为研究对象,采取同一只鸡肠道内容物样本,跟踪采集鸡整个生命周期中不同时间点(D1、D8、D15、D22、D29、D35、D41和D46日龄)的粪便样品。利用添加抗生素的培养基分离收集氟苯尼考耐药菌株,建立氟苯尼考耐药菌株库,在此基础上,通过PCR检测floR基因携带情况,采用MALDI-TOF MS技术对携带floR菌株进行种属鉴定;应用脉冲场凝胶电泳(PFGE)技术对分离菌株进行亲缘关系鉴定;选取不同PFGE谱型的代表菌株进行接合转移实验,探索floR传播载体的可转移性,采用琼脂稀释法测定上述代表菌株及相应接合转移子对临床常用抗菌药物的最小抑菌浓度(MICs),分析其耐药谱;通过全基因组测序技术对接合转移成功的菌株进行测序,对floR载体进行序列拼接,利用生物信息学分析对floR载体结构及基因环境进行分析,绘制肠道菌群中介导floR传播扩散的载体图谱。试验结果显示:(1)经添加氟苯尼考(15 mg/L)的显色培养基筛选、PCR检测和MALDI-TOF MS质谱鉴定,共计分离获得500株菌,PCR检测结果表明全部菌株均携带floR基因,包括大肠杆菌427株(85.4%)、肺炎克雷伯氏菌48株(9.6%)、阴沟肠杆菌25株(5.0%),其中D1天分离大肠杆菌39株,肺炎克雷伯2株,阴沟肠杆菌19株,D8天分离大肠杆菌53株,肺炎克雷伯11株,阴沟肠杆菌3株,D15天分离大肠杆菌45株,肺炎克雷伯7株,阴沟肠杆菌1株,D22天分离大肠杆菌64株,肺炎克雷伯2株,阴沟肠杆菌2株,D29天分离大肠杆菌56株,肺炎克雷伯8株,D35天分离大肠杆菌30株,肺炎克雷伯3株,D41天分离大肠杆菌73株,肺炎克雷伯15株,D46仅分离到大肠杆菌67株。(2)应用脉冲场凝胶电泳(PFGE)技术对floR阳性菌株进行亲缘关系分析,结果显示500株菌共计被分为53种不同的PFGE谱型,其中大肠杆菌共有40种不同的PFGE谱型,肺炎克雷伯氏菌有12种不同的PFGE谱型、阴沟肠杆菌有1种PFGE谱型。此外,进化树分析显示,一些PFGE谱型相似度极高(>80.0%)的菌株存在于不同的采样时间点,表明在鸡同一肠道内一些携带floR基因的菌株可长期稳定定植并进行克隆传播。对53株不同PFGE谱型的菌株进行临床八大类12种抗菌药物的MIC值测定,试验结果显示,53株菌对氟苯尼考和氯霉素耐药率为100.0%,对头孢泊肟(90.6%)、四环素(98.1%)、链霉素(96.2%)和环丙沙星(96.2%)的耐药率在90.0%以上,对庆大霉素(64.2%)和复方新诺明(84.9%)的耐药率在60.0%-85.0%之间,对阿米卡星(32.1%)、多粘菌素(28.3%)和替加环素(22.6%)有较好的敏感性,对美罗培南高度敏感,无耐药菌株检出。(3)为了解floR基因及其载体的可转移性,本研究对53种不同PFGE谱型的菌株进行接合转移试验,结果显示共有24株大肠杆菌接合成功,接合成功率为45.3%(24/53)。接合转移频率在3.67×10-5-9.04×10-3之间,以B59菌株接合频率最高为9.04×10-3。最小抑菌浓度值测定结果显示,所有接合子对氟苯尼考和氯霉素的MIC值提高16倍,部分接合子对四环素、链霉素、头孢泊肟、庆大霉素、复方新诺明和环丙沙星的敏感性降低,提示floR基因载体携带其它耐药基因发生了共转移现象。(4)为了解floR的传播载体及基因环境,选取接合转移成功的24株菌及2株未接合转移成功的菌株进行全基因组测序和生物信息学分析,并对floR基因载体元件进行了全序列的解析。结果显示,floR基因既可定位于质粒也可定位于基因组。(1)2株接合转移不成功菌株的floR基因位于一个大小为77 Kb的新型遗传元件上,该元件插入大肠杆菌的t RNA(Phe)(GAA)基因,两端形成正向重复序列att L和att R,其携带的耐药基因簇包括floR,tet A,tet R,aph6-Ic和aph3-I基因。序列比对发现,该元件同样存在于大肠杆菌H9的基因组上(Gen Bank登记号:CP029180),提示其具有潜在的可转移性。(2)多数菌株中floR的传播载体为质粒,大小分布在99 kb-180 kb之间,可分为5种类型,其结构和序列呈现丰富的多样性。每种质粒均含有完整的质粒接合转移模块,5种质粒类型均含有大量的耐药基因,如floR、sul3、blaTEM-1、blaCTX-M、tet A、tet R、fos A3以及aph-3-Ib等。部分质粒上含有促进铁吸收的基因簇iro NEDCB、锰转运蛋白sitabcd以及ter基因簇编码的亚碲酸钾抗性基因。此外,生物信息学分析结果显示,5种不同类型的质粒均具有结构的新颖性和独特性,不同于以往报道的floR质粒,本研究中5种类型的质粒上均含有大量的tnp序列及IS序列,这些序列可能在不同质粒间通过片段交换及重组介导杂合型质粒的形成中起到重要作用。综上所述,本研究初步探索floR基因在鸡肠道菌群中的分布特征,发现其具有丰富的种属水平和菌株水平的宿主多样性,提示该基因在肠道菌群的分布和扩散存在具有水平转移和克隆传播两种方式。在同一肠道内发现多种floR基因载体类型共存,传播载体的多样性也提示肠道中耐药基因传播的复杂性。此外,floR基因与其它多种耐药基因共存于同一传播元件,增加了多重耐药性共转移的风险,应进一步加强肠道中重要耐药基因及其传播载体分布特征和传播模式的系统性研究,为耐药性的防控提供科学依据。
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