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作者：王硕，南京农业大学博士在读，主要研究利用噬菌体防治土传病害   噬菌体是地球上最丰富的生物实体，其宿主范围具有多样性。大量文献报道了葡萄球菌噬菌体能够抑制葡萄球菌属细菌的生长。这些葡萄球菌噬菌体一般是肌尾、长尾或短尾噬菌体，并且它们的宿主范围受到细菌表面噬菌体受体的影响，具有特异性。但是，人们尚未充分认识到葡萄球菌噬菌体多样性以及它们在遗传物质交换中的确切作用。为此，作者以废水中的葡萄球菌噬菌体为研究对象，探究其宿主范围及其在遗传物质交换中的作用。   葡萄球菌噬菌体的分离与表征 图1 葡萄球菌噬菌体-细菌相互作用矩阵  分离的葡萄球菌噬菌体具有广泛的宿主范围 作者使用双邻接矩阵进一步分析噬菌体的宿主：总体而言，分离的噬菌体仅能侵染葡萄球菌属的菌株。在菌株水平上，噬菌体抗性宿主和非抗性宿主的数量相当。与凝固酶阳性葡萄球菌（CoPS）菌株相反，大多数被侵染的凝固酶阴性葡萄球菌（CoNS）菌株对噬菌体敏感（图2）。大多数噬菌体（86%）的宿主范围跨越了CoPS和CoNS，其中22个噬菌体可以侵染致病潜力最高的两种金黄色葡萄球菌和表皮葡萄球菌，并且这些噬菌体平均可以侵染另外10个不同的种。此外，90种广谱噬菌体都侵染了至少两种不同的葡萄球菌菌株。只有30个噬菌体的宿主范围趋向单一菌种，即其中≥50%的受侵染宿主属于一个单独的菌种。相反，其它60个噬菌体的既定宿主范围没有明显趋向单一菌种（图3）。
图2 噬菌体对葡萄球菌属的侵染
图3 40个已测序噬菌体的宿主范围 葡萄球菌噬菌体侵染来自不同生物群落的抗生素抗性菌株 为了评估噬菌体参与遗传物质跨生物群落转移的可能性，作者首先测试了噬菌体侵染来自不同环境、动物或人类生物群落的宿主的能力。结果显示，只有2种噬菌体仅能侵染单一来源的细菌，而其他92种噬菌体都至少可以侵染来自两个不同生态系统的菌株。接下来，作者使用已建立的相互作用矩阵来验证葡萄球菌噬菌体是否可以在抗生素抗性菌株上复制。结果显示，这些噬菌体可以侵染65%的抗生素敏感菌株、50%的抗生素抗性菌株和29%的多重耐药菌株。相互作用矩阵中几乎一半被噬菌体侵染的宿主都与抗生素抗性宿主有关，被噬菌体侵染的抗生素敏感宿主和抗性宿主之间没有明显区别；并且分离的噬菌体都至少能侵染一种抗生素抗性菌株。这些结果证明，不同的葡萄球菌噬菌体将来自不同生态系统和耐药表型的宿主连接起来，如果噬菌体后代包含转导颗粒，则它们将成为基因转移的合适载体。 天然噬菌体群落连接葡萄球菌属内的菌株 接下来，作者分析了双邻接矩阵中受侵染细菌之间的相互作用。互作网络包含93种不同的葡萄球菌噬菌体与1,030个宿主的相互作用（图4）。结果显示不同种的葡萄球菌菌株之间平均共享3.8个噬菌体。单个葡萄球菌菌株和物种分别由4.3和4.1个不同的噬菌体连接。为了方便理解，作者将通过边连接到特定节点的节点数量称为“邻居”，“邻居”是衡量中心地位的标准，展示了宿主的影响力（图4）。S. vitulinus C5817是最核心的宿主，可以与59个宿主中的56个进行交互，最有可能接受和提供遗传物质。作者评估了不同来源的宿主之间共享噬菌体的数量。该网络中1个宿主平均拥有34个“邻居[WX1]”，其中只有11.2个来自相同的生物群落，而23.1个来自不同的生态系统；每个抗生素抗性宿主平均通过4.3个不同的噬菌体连接到16.0个抗生素敏感的“邻居”。这些结果揭示了噬菌体可以连接来自多个物种和生态系统的宿主，可能是细菌遗传交换的潜在载体。
图4 以噬菌体为耦合链接的物种网络 葡萄球菌宿主物种表示为节点。物种之间共享噬菌体的数量表示为加权边。 污水处理厂是CoNS噬菌体的储存库 作者对来自天然噬菌体群落的40个噬菌体进行了测序，并通过TEM观察它们的形态（图 5），共确定了29种肌尾噬菌体和11种长尾噬菌体。其中，肌尾噬菌体基因组大小为128.3~145.1 kb，长尾噬菌体分为42.2~44.5 kb和85.8~92.2 kb之间的两组。具有较大基因组的长尾噬菌体都是游离的噬菌体颗粒并且具有>300nm的尾巴。约40 kb的长尾噬菌体可以通过诱导被分离（图 5）并且仅在这类噬菌体中发现了溶原模块，说明只有这类噬菌体是温和噬菌体。29种CoNS噬菌体与已知的葡萄球菌噬菌体具有相对较高的基因组同一性（>88% ANI），而其他11种噬菌体似乎是远亲（>70% ANI）。接下来，作者使用上述噬菌体基因组和NCBI的292个葡萄球菌噬菌体基因组进行系统发育分析（图6）。系统发育树显示噬菌体形态、基因组长度和分类之间具有良好的一致性。其中，Herelleviridae的成员可以侵染最多的菌株和物种，其次是约90kb的长尾噬菌体，最后是约40kb的长尾噬菌体（图6），但是这些噬菌体宿主范围的范围似乎相当独立。所有的肌尾噬菌体都可以侵染多种葡萄球菌（平均9.8种），而长尾噬菌体的宿主范围要窄得多（平均2.5种）。尽管如此，12 种长尾噬菌体中有8种可以在至少两个宿主物种上有效复制（图 5）。
图5 测序噬菌体的电镜形态
图6 葡萄球菌噬菌体的系统发育树 来自不同类群的噬菌体包裹外来遗传物质 最后，作者评估了这些噬菌体整合外来遗传物质的潜力。图7a总结了每个噬菌体样本中噬菌体转导粒子频率的差异。因为大量文献中已经报道过噬菌体80α和β类长尾噬菌体的转导能力，作者预计这些噬菌体的质粒掺入率很高。在作者的模型中，噬菌体80α显示出与肌尾噬菌体相似的转导粒子频率（5×10−6~7×10−8）。相比之下，从溶原菌中分离出的小型长尾噬菌体和一种大型长尾噬菌体（PG-2021_46）显示出特别高的频率，这反映出它们可能拥有一种更具针对性的外源基因包装方法。由于噬菌体基因组末端会反映噬菌体的DNA包装机制（图7b），因此，作者在计算机上预测了这些噬菌体的基因组末端。在一些情况下，预测的包装机制与噬菌体形态无关，作者发现与转导pac或cos的噬菌体相比，具有其他包装机制的噬菌体衣壳化频率较高。结果证实，质粒携带的遗传物质可以被噬菌体整合，并且尽管频率不同，但来自不同类群的多个噬菌体可以包装外来遗传物质。
图7 不同葡萄球菌噬菌体的转导粒子频率 作者首先从废水处理厂中分离出大量噬菌体并表征了它们的宿主范围，发现大部分分离的噬菌体具有广泛的宿主范围。接下来，作者通过基于网络的方法证明不同物种、生态系统或抗生素抗性表型的葡萄球菌宿主通过大量噬菌体紧密联系。最后通过氯霉素抗性基因揭示了建立联系的这些噬菌体具有整合外来遗传物质的能力，证明噬菌体是细菌遗传交换的有效载体。 论文信息 原名：Multi-species host range of staphylococcal phages isolated from wastewater 译名：从废水中分离的多物种宿主范围的葡萄球菌噬菌体 期刊：Nature Communication 发表时间：2021.11 通讯作者：Martin J. Loessner 通讯作者单位：苏黎世联邦理工学院 |
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