作者：李婷婷，南京農業(yè)大學博士在讀。主要研究根際噬菌體-有益菌協同阻控青枯菌ARGs生物復合污染。
病毒的捕食作用塑造了微生物群落的結構和功能。在自然環(huán)境豐富多樣的微生物中，探究噬菌體與細菌相互作用是一個重大挑戰(zhàn)，噬菌體-細菌互作結構和進化的基本特征有待研究。本研究利用從海洋環(huán)境中大規(guī)模分離獲得的弧菌及其噬菌體來估算在菌株水平上噬菌體-捕食者負載，并基于全宿主范圍分析來研究噬菌體和宿主基因組多樣性如何影響互作。研究表明，環(huán)境相互作用網絡中的裂解性互作較少，大多數細菌菌株的噬菌體-捕食者負載較低，而且噬菌體具有宿主菌株的特異性。矛盾的是，研究還發(fā)現，雖然通常情況下有尾噬菌體之間的宿主重疊很少見，但基因重組很常見。這些結果表明，在隱性共共侵染中重組是微生物群落中噬菌體進化的一種重要模式。在生物工程和治療學的噬菌體發(fā)展中，重點關注引入噬菌體的核酸可以通過重組擴散到原位噬菌體種群；基于裂解宿主范圍難以預測基因轉移。
為了研究噬菌體對環(huán)境中相關細菌的捕食作用，以沿海海洋異養(yǎng)弧菌科細菌作為模型系統。2010年為期3個月的時間里，在三個時間點（第 222、261和 286天）分離了1440個菌株，以弧菌屬為主。在1287個能夠在誘餌試驗中生長且具有hsp60基因的菌株中，285個（22%）為噬菌斑陽性——表明對噬菌體侵染的敏感性。大批量培養(yǎng)試驗結果顯示，在菌株水平上，與沿海海洋環(huán)境中類病毒顆粒濃度（1010 VLP L-1）相比，大多數沿海海洋弧菌的烈性噬菌體捕食壓力似乎很低（<134 個噬菌斑L-1）（圖 1）。研究中豐度最高的弧菌物種的單個菌株通常以平均 <1 細胞 mL-1的濃度出現，說明這類噬菌體與其宿主之間的相遇幾率應該非常低。這些觀察結果表明，增加弧菌噬菌體與其宿主相遇率的機制——例如宿主繁殖、小尺度空間結構和廣譜宿主范圍——應該是單個宿主菌株稀有的系統中噬菌體-細菌相互作用的重要特征。
為了研究該系統中噬菌體的宿主范圍，從每個噬菌斑陽性宿主中純化了單個噬菌體以供后續(xù)研究，共獲得248個噬菌體。294個基因組測序的細菌菌株，包括所有噬菌斑陽性宿主和 18 個額外的弧菌菌株用來檢測每個噬菌體的宿主范圍，其中279個弧菌至少被一個噬菌體裂解。在248個噬菌體與279個宿主細菌的69,192 次交互中，大多數細菌對噬菌體具有抗性，且互作總體上是少見的。進一步發(fā)現裂解互作以整體模塊化方式組織：噬菌體和細菌群聚集成 89個離散的相互連接的集合（圖 2a）。本研究中噬菌體-宿主互作網絡的結構表明，廣泛和狹窄的宿主范圍策略在沿海海洋環(huán)境中都很重要。三個最大模塊中的核心噬菌體均能夠侵染多個基因組不同的宿主菌株（圖 2b)。該網絡中單個模塊的顯著優(yōu)勢突出了噬菌體相對于其在沿海海洋環(huán)境中的本地宿主的極其狹窄的宿主范圍分布的普遍性。
以前在腸道噬菌體的研究表明噬菌體的宿主范圍與其形態(tài)有關，其中肌尾噬菌體的宿主范圍比其他有尾噬菌體更廣。本研究分析了噬菌體形態(tài)與宿主范圍的關系，結果表明，雖然71/248 個噬菌體屬于肌尾噬菌體，其宿主物種在三個分離時期均存在并且在宿主范圍測定中具有較好的表現，但不能侵染不同生態(tài)特征的 V. breoganii。說明形態(tài)型可能不是噬菌體將侵染的宿主物種數量的可靠指標，但可能會影響不同生態(tài)棲息地關聯的宿主。其次，噬菌體的宿主范圍是否與其自身生活史相關？先前對人類微生物組相關大腸桿菌噬菌體的研究發(fā)現，烈性噬菌體的宿主范圍比溫和噬菌體的宿主范圍更廣，為了檢驗這一點，試驗比較了烈性噬菌體和溫和噬菌體的宿主范圍?？偟膩碚f，檢測到特定噬菌體種類侵染的細菌種類或hsp60管家基因類型的總數與預測的生活史策略沒有顯著差異，說明侵染宿主范圍不是由噬菌體生活史策略決定（圖3）。
即使在看似罕見的相遇機率系統中，噬菌體粒子濃度也可以達到足夠高的局部濃度，從而導致共享宿主中相同VIC（本試驗利用兩種方法來識別更多（種）和更少（屬）密切相關的噬菌體群體，VIRIDIC和VICTOR；VIRIDIC確定基因組間核苷酸相似性，而VICTOR根據隨后的成對全基因組距離比較來識別物種和屬，簡寫為VIC）物種成員之間的共同侵染。在VIC種和VIC屬水平上重組的重要性表明，噬菌體之間侵染的重疊并不能預測它們在自然微生物群落中重組的潛力。試驗首先利用噬菌體之間共享任何100%相似的25 堿基對長度序列概括菌株和物種水平的相關性，并為潛在的水平基因轉移事件提供標記。結果發(fā)現，潛在連通性比宿主侵染重疊所顯示的要大得多（圖 4a、b）。試驗還發(fā)現了具有非重疊宿主范圍的不同有尾噬菌體之間序列共享的證據（圖 4c）。菌體基因組的保守區(qū)域檢測特定近期基因轉移事件(MetaCHIP41)的方法也揭示了不同VIC屬的有尾噬菌體之間的聯系，雖然沒有重疊的宿主范圍，但基因組大量序列存在高度相似性（圖4d）。
總而言之，這些關于有尾噬菌體之間重組程度的結果表明，通常這些噬菌體侵染的宿主多于它們能夠侵染的宿主。自然群落中多個不同噬菌體對宿主細胞的共侵染（噬菌體基因組之間重組所必需的）可能比基于宿主范圍所預測的要普遍得多。
圖4 侵染宿主菌株的重疊在有尾噬菌體中很少見，并且不反映不同 VIC屬或形態(tài)類型的噬菌體之間的序列共享
本研究從現有的主流噬菌體-宿主互作研究出發(fā)，以海洋噬菌體為試驗材料，做了大批量的交互侵染及基因組測序等分析。基因重組對全球和局部噬菌體多樣性的重要性已被證實，本研究表明重組主要在共同侵染中產生的，這些共同侵染比想象的更為頻繁。同源重組比突變對序列變異的貢獻更高，表明很大程度上未觀察到的隱性共侵染在當前進化和生態(tài)時代中正在發(fā)生。在被引入生物工程和治療應用時，當前宿主范圍的測定不能預測外源噬菌體基因在原位噬菌體基因組庫中潛力擴散的重要性 。
論文信息
原名：Resolving the structure ofphage–bacteria interactions in the context of natural diversity
譯名：在自然多樣性的環(huán)境背景下解析噬菌體-細菌相互作用結構
期刊：Nature Communications
發(fā)表時間：2022.01.22
通訊作者：Libusha Kelly
通訊作者單位：美國紐約愛因斯坦醫(yī)學院微生物學和免疫學系
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