地中海气候区智利中部农业生态系统中致病性钩端螺旋体DNA的环境检出

《Pathogens》：Environmental Detection of Pathogenic Leptospira DNA in Agricultural Ecosystems from a Mediterranean-Climate Region of Central Chile

　　

尽管在不同气候区的水体和土壤中已检出致病性钩端螺旋体（Leptospira）DNA，但关于地中海气候农业系统的相关信息仍较为有限。本研究对智利中部灌溉农业生态系统水样和土壤样中的致病性钩端螺旋体DNA环境检出情况进行了表征，并评估其空间与季节变化以及与选定理化变量之间的关联。研究人员于2019年春季、2020年夏季和2021年冬季，在8个农业点位共采集605份样本。样本采用以lipL32为靶标的实时荧光定量聚合酶链式反应（real-time PCR）进行分析。总体上，29.1%的样本PCR阳性，且所有点位和所有季节均检出了致病性钩端螺旋体DNA。土壤样本的阳性率高于水样（34.5% vs. 21.4%），夏季阳性率高于春季或冬季（41.7% vs. 22.7%和19.3%）。在各项理化变量中，仅水温和浊度在阳性与阴性样本之间存在差异；而二项广义线性混合模型（generalized linear mixed model, GLMM）显示，在控制点位层级聚类后，季节和样本类型与PCR阳性相关。上述结果表明，在地中海气候区的灌溉农业系统中，致病性钩端螺旋体DNA可被广泛检出，这提示未来关于致病性钩端螺旋体环境生态学的研究应考虑土壤、季节性、灌溉实践及其他点位层级特征。

该文发表于《Pathogens》，围绕地中海气候区农业生态系统中致病性钩端螺旋体（pathogenic Leptospira）的环境分布展开研究。钩端螺旋体病是由致病性钩端螺旋体引起的人兽共患病，其传播既可通过与感染动物体液直接接触发生，也可通过接触受污染的土壤和水体等环境介质间接发生。因此，环境基质不仅是病原体持续存在的重要载体，也构成了野生动物、家养动物与人群之间潜在的传播界面。既往研究已指出，温度、pH、湿度、浊度等因素可能与环境中致病性钩端螺旋体的检出有关，但这些关联在不同生态系统和气候区并不一致。相较于热带、亚热带和一般温带地区，地中海气候区相关研究明显不足，尤其是在农业生态系统中更为缺乏。由于地中海气候具有冬季温和多雨、夏季漫长干旱炎热的显著季节性特征，而致病性钩端螺旋体又对干燥敏感，这类区域在理论上可能不利于其环境持续存在。然而，农业灌溉可能创造局部湿润微生境，从而缓冲夏季干旱的不利影响，并促进病原体在局部环境中的保留或检出。基于这一背景，研究人员以智利中部灌溉农业系统为对象，评估致病性钩端螺旋体DNA在土壤和水体中的环境检出格局，并分析季节、样本类型及若干理化因素之间的关系，旨在补充这一气候区农业环境中病原生态学的基础证据。

在方法上，研究人员选择智利大都会区8个具灌溉条件的农业点位，于2019年春季、2020年夏季和2021年冬季开展分季节环境采样，共获得605份样本，包括248份水样和357份土壤样。采样点以地理定位系统进行记录，并同步测定水样的pH、温度、电导率、浊度以及土壤样的pH和含水量。所有样本经浓缩后提取DNA，以lipL32基因为靶标进行实时荧光定量聚合酶链式反应（qPCR）检测，并设置内部扩增对照（internal amplification control, IAC）用于评估PCR抑制。统计分析包括Fisher–Freeman–Halton精确检验、Wilcoxon秩和检验、Kruskal–Wallis检验以及二项广义线性混合模型（GLMM）；其中采样点位作为随机截距，以控制同一场地内样本的非独立性。样本来源为智利中部农业生态系统中的灌溉沟渠、运河、积水、储水塘及湿润土壤。

研究结果部分首先显示：致病性钩端螺旋体DNA在研究区域呈广泛分布。全部8个农业点位、全部两类环境基质以及全部3个采样季节中均至少检出部分阳性样本，总体PCR阳性率为29.1%。这一结果说明，在地中海气候区智利中部的灌溉农业环境中，致病性钩端螺旋体DNA并非局灶性零散出现，而是在不同场地间具有较普遍的环境污染信号。作者同时强调，由于本研究采用的是qPCR分子检测，且未进行培养、PMA-PCR或基于RNA的活性评估，因此这些结果反映的是环境中存在病原DNA证据，而不能直接证明采样时细胞具有活性或感染性。

关于不同环境基质的差异，研究发现土壤是更易检出致病性钩端螺旋体DNA的基质。结果显示，土壤样本阳性率为34.5%，显著高于水样的21.4%。在控制季节及点位层级聚类效应后，GLMM进一步证实，土壤样本发生PCR阳性的几率约为水样的2.13倍。基于这一结果，研究人员认为，与开放水体相比，湿润土壤可能更有利于钩端螺旋体细胞或其DNA的滞留，而水体更容易受到稀释、流动性及瞬时污染的影响。因此，在地中海气候灌溉农业系统中，土壤可能是环境监测致病性钩端螺旋体DNA的重要基质。

在季节变化方面，研究结果表明夏季是检出率最高的时期。所有季节均有阳性样本，但夏季总体阳性率达41.7%，显著高于春季的22.7%和冬季的19.3%。GLMM分析显示，与冬季相比，夏季样本PCR阳性的比值比（odds ratio, OR）为3.25，提示夏季样本检出致病性钩端螺旋体DNA的概率显著升高，而春季与冬季差异无统计学意义。这一结果在地中海气候背景下具有一定特殊性，因为该气候类型的夏季通常炎热且降雨稀少，理论上并不利于对干燥敏感的病原体持续存在。研究据此指出，在农业生态系统中，灌溉可能维持夏季局部湿润环境，使较高温度与足够水分同时存在，从而促进病原DNA在环境中的保留、再分布或检出。

对于理化因素，研究发现其解释能力相对有限。在所有测定指标中，仅水样的温度和浊度在PCR阳性与阴性样本间存在差异，且阳性样本的温度和浊度均较高。与此同时，这两个变量也表现出明显的季节差异，即夏季较高、冬季较低。因此，作者认为水温和浊度与阳性检出的关系应放在季节背景下理解。相比之下，水体电导率、土壤含水量及pH值虽随季节变化，但均不能有效区分阳性和阴性样本。这说明在该研究系统中，单一理化指标不足以充分解释致病性钩端螺旋体DNA的环境检出模式，环境过程可能受到更复杂的生态和管理因素共同影响。

关于灌溉方式及场地层面因素，研究在探索性分析中观察到，地表灌溉点位的样本阳性率高于滴灌点位，但这一关联在纳入点位聚类效应后不再具有统计学显著性，且包含灌溉类型的模型并未明显改善拟合。由此可见，灌溉方式可能是值得关注的生态学因素，但本研究并未证明其为独立驱动因素。作者进一步指出，作物类型、农场管理方式、动物活动、微生物群落结构以及未测量的微环境差异，都可能参与塑造该病原DNA在农业生态系统中的空间和时间格局。

研究讨论部分强调，本研究最重要的贡献在于首次较系统地提供了智利中部地中海气候农业生态系统中致病性钩端螺旋体DNA广泛环境检出的证据，并通过混合效应模型支持了“土壤阳性率更高”和“夏季检出更多”这两个主要模式。研究人员认为，灌溉农业系统可能因其人工补水、沟渠与池塘网络、湿润耕作土壤、家养动物和野生动物共存等特征，形成有利于病原污染、滞留和再分布的生态场景。不过，作者反复强调，本研究属于观察性和描述性研究，未直接评估宿主感染状态、排菌情况、动物活动模式、景观结构、农场管理细节及病原活性，因此不能将统计关联解释为因果关系。环境中的DNA信号很可能反映感染宿主排泄后造成的污染，但其具体来源及维持机制仍需未来研究整合宿主采样、灌溉管理、土壤水文、景观因子和季节性农业实践进行验证。

研究结论部分可译为：在地中海气候的智利中部农业生态系统环境样本中，致病性钩端螺旋体DNA被广泛检出，这为在此类具有季节性干旱特征的气候类型下仍存在环境污染提供了分子证据。研究识别出的主要暂时性模式为：土壤样本中的阳性率更高，且夏季阳性率更高。结合已测理化变量有限的解释能力，这些发现提示，在此类农业生态系统中，致病性钩端螺旋体DNA的环境检出可能受到不同尺度生态过程与管理相关过程的共同影响，其中包括灌溉实践、宿主活动以及其他场地层级特征。未来研究应将环境采样与宿主数据、灌溉实践、土壤和水体特征、景观变量以及农场管理信息相结合，以更好理解地中海气候农业系统中与致病性钩端螺旋体检出相关的条件，并为预防策略提供支持。