北京大学城市与环境学院吴林蔚团队揭示气候变暖加速草地土壤微生物抗生素耐药性

抗生素耐药性（Antibiotic Resistance）已成为全球最紧迫的公共卫生挑战之一。在同一健康（One Health）理念下，人类、动物和环境的健康息息相关。土壤中含有丰富的抗生素抗性基因（ARGs），这些基因受微生物相互作用和环境条件的强烈影响，对环境变化高度敏感。尽管气候变暖被认为是影响微生物群落及其功能的最重要驱动因素之一，但其对土壤抗生素抗性基因组（Resistomes）的影响仍知之甚少。

为了破解这一难题，北京大学城市与环境学院、生态研究中心吴林蔚研究员牵头，联合山东大学、俄克拉荷马大学等多家单位，依托美国俄克拉荷马州凯斯勒大气与生态野外观测站长达11年（2009—2020年）的多因子气候变化实验平台，综合运用宏基因组学、基因芯片技术以及大规模纯培养表型分析，首次全面揭示了气候变暖对土壤微生物抗生素抗性在基因、生态和进化层面的深远影响。

研究发现，在模拟增温（+3℃）环境下，土壤中的抗生素抗性基因总丰度大幅增加了23.9%。尤其是针对糖肽类和利福霉素等重要临床抗生素的抗性基因，其丰度出现了显著提升。同时，变暖也显著增加了抗性基因的多样性。这意味着，变暖不仅扩充了抗性基因的“武器库”，还选择性地放大了特定的抗性机制。这种群落水平的升高可能是由两个过程驱动：携带抗生素抗性基因的微生物丰度增加，以及单细胞中抗性基因拷贝数增加。

图1. 增温增加土壤抗生素抗性基因丰度并改变其组成。a：通过宏基因组学检测到的抗生素抗性基因的多样性。b—c：2009—2020年通过宏基因组学（b）和GeoChip（c）得到的抗生素抗性基因的标准化总丰度。d：增温、降水改变和刈割对抗生素抗性基因总丰度的效应。e：按抗性机制和药物类别分类的抗生素抗性基因相对丰度。f：增温对主要的抗生素抗性基因类群的效应

谁在携带这些抗性基因？研究证实，放线菌门（Actinomycetota）是变暖环境下最重要的抗生素抗性基因宿主。数据显示，变暖环境下大多数放线菌的宏基因组组装基因组（MAGs）丰度显著增加。值得高度警惕的是，变暖显著增加了与潜在植物病原菌相关的抗性基因丰度，并且促进了抗性基因在不同微生物类群（尤其是病原菌）之间的水平基因转移（HGT）。这意味着，在未来气候变化背景下，植物病害的控制难度可能会急剧上升。

图2. 增温选择性地富集放线菌作为优势抗生素抗性基因宿主，并增加植物病原体中的抗生素抗性基因。a：Procrustes分析显示抗生素抗性基因组成与细菌分类组成之间的相关性。b：对照和增温土壤中按宿主分类划分的平均标准化抗生素抗性基因丰度。c—d：基于宿主分类，增温对抗生素抗性基因组的效应【宏基因组学（c）和GeoChip（d）】。e：增温对与潜在病原体相关的抗生素抗性基因的效应。f：去冗余宏基因组组装基因组（MAGs）的系统发育关系

基因数据的增加，是否意味着真实的耐药能力变强？研究团队从该样地土壤中分离并鉴定了2007株细菌纯培养物，从中选取了具有代表性的213株菌株，测试其对22种抗生素的敏感性。结果表明：来自增温土壤的细菌，对多种抗生素的实际耐药能力显著强于对照组。此外，纯培养分离株的全基因组测序也揭示，增温土壤中菌株（特别是放线菌门）的抗性基因丰度高于对照组。这一直接的表型证据，强有力地支撑了宏基因组测序的结论。

图3. 表型验证证实了增温处理下抗生素耐药性的增强。a：抗生素耐药性表型验证的实验流程。b：增温对培养细菌群落多样性指数的效应

为什么温度升高会导致抗生素抗性增加？研究揭示了其背后的生态进化机制——基因搭车（Genetic hitchhiking）。在变暖和土壤氮源增加的环境压力下，细菌必须进化出更强的“耐热性”和“氮同化”能力才能生存。在放线菌的基因组中，抗生素抗性基因与这些关键的生存适应基因在物理位置上紧密相连。因此，当环境温度对“耐热基因”进行强烈正选择（Positive selection）时，抗生素抗性基因作为“同车乘客”被顺带着共同富集，随后通过基因水平转移在群落中进一步扩散。

图4. 气候变暖增强土壤抗生素耐药性的概念框架：变暖通过生态选择和适应性进化作用于微生物群落

这项跨越十余年的系统性研究，首次给出了明确的实验证据：气候变暖正在通过“协同选择”和“基因搭车”等生态与进化机制，增强跨多个抗生素类别的土壤抗生素抗性基因组。这一发现对预测未来气候条件下的抗生素抗性风险、指导公共卫生管理策略具有重要意义。它提醒我们，随着全球气温的持续升高，土壤可能成为更具危险性的抗生素抗性基因库。根据“同一健康”框架，这些基因可能会加速向植物病原体、家畜相关微生物乃至人类病原体传播。在未来的农业、环境与公共卫生风险评估中，我们迫切需要将气候变化因素纳入考量。此外，研究发现抗性基因的增加与土壤氮素水平密切相关，这也提示我们，在未来气候情境下，优化土壤氮肥管理、精准施肥，或许是缓解土壤抗生素抗性微生物扩增的一条可行之路。

上述研究成果以“Decade-Long Warming Accelerates Antibiotic Resistance in Grassland Soils”为题，于2026年4月22日以全文（Article）的形式在线发表在《自然》（Nature）上。吴林蔚与山东大学海洋学院穆大帅教授为论文共同第一作者，吴林蔚和俄克拉荷马大学周集中教授为论文共同通讯作者。北京大学城市与环境学院在读博士研究生范晓敏参与了研究。研究获得了国家重点研发计划（2023YFF0805601）以及国家自然科学基金（32588202和32371724）等的资助。