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作者：李婷婷，南京农业大学博士在读。主要研究根际噬菌体-有益菌协同阻控青枯菌ARGs生物复合污染。
  病毒的捕食作用塑造了微生物群落的结构和功能。在自然环境丰富多样的微生物中，探究噬菌体与细菌相互作用是一个重大挑战，噬菌体-细菌互作结构和进化的基本特征有待研究。本研究利用从海洋环境中大规模分离获得的弧菌及其噬菌体来估算在菌株水平上噬菌体-捕食者负载，并基于全宿主范围分析来研究噬菌体和宿主基因组多样性如何影响互作。研究表明，环境相互作用网络中的裂解性互作较少，大多数细菌菌株的噬菌体-捕食者负载较低，而且噬菌体具有宿主菌株的特异性。矛盾的是，研究还发现，虽然通常情况下有尾噬菌体之间的宿主重叠很少见，但基因重组很常见。这些结果表明，在隐性共共侵染中重组是微生物群落中噬菌体进化的一种重要模式。在生物工程和治疗学的噬菌体发展中，重点关注引入噬菌体的核酸可以通过重组扩散到原位噬菌体种群；基于裂解宿主范围难以预测基因转移。    为了研究噬菌体对环境中相关细菌的捕食作用，以沿海海洋异养弧菌科细菌作为模型系统。2010年为期3个月的时间里，在三个时间点（第 222、261和 286天）分离了1440个菌株，以弧菌属为主。在1287个能够在诱饵试验中生长且具有hsp60基因的菌株中，285个（22%）为噬菌斑阳性——表明对噬菌体侵染的敏感性。大批量培养试验结果显示，在菌株水平上，与沿海海洋环境中类病毒颗粒浓度（1010 VLP L-1）相比，大多数沿海海洋弧菌的烈性噬菌体捕食压力似乎很低（<134 个噬菌斑L-1）（图 1）。研究中丰度最高的弧菌物种的单个菌株通常以平均 <1 细胞 mL-1的浓度出现，说明这类噬菌体与其宿主之间的相遇几率应该非常低。这些观察结果表明，增加弧菌噬菌体与其宿主相遇率的机制——例如宿主繁殖、小尺度空间结构和广谱宿主范围——应该是单个宿主菌株稀有的系统中噬菌体-细菌相互作用的重要特征。
为了研究该系统中噬菌体的宿主范围，从每个噬菌斑阳性宿主中纯化了单个噬菌体以供后续研究，共获得248个噬菌体。294个基因组测序的细菌菌株，包括所有噬菌斑阳性宿主和 18 个额外的弧菌菌株用来检测每个噬菌体的宿主范围，其中279个弧菌至少被一个噬菌体裂解。在248个噬菌体与279个宿主细菌的69,192 次交互中，大多数细菌对噬菌体具有抗性，且互作总体上是少见的。进一步发现裂解互作以整体模块化方式组织：噬菌体和细菌群聚集成 89个离散的相互连接的集合（图 2a）。本研究中噬菌体-宿主互作网络的结构表明，广泛和狭窄的宿主范围策略在沿海海洋环境中都很重要。三个最大模块中的核心噬菌体均能够侵染多个基因组不同的宿主菌株（图 2b)。该网络中单个模块的显著优势突出了噬菌体相对于其在沿海海洋环境中的本地宿主的极其狭窄的宿主范围分布的普遍性。
以前在肠道噬菌体的研究表明噬菌体的宿主范围与其形态有关，其中肌尾噬菌体的宿主范围比其他有尾噬菌体更广。本研究分析了噬菌体形态与宿主范围的关系，结果表明，虽然71/248 个噬菌体属于肌尾噬菌体，其宿主物种在三个分离时期均存在并且在宿主范围测定中具有较好的表现，但不能侵染不同生态特征的 V. breoganii。说明形态型可能不是噬菌体将侵染的宿主物种数量的可靠指标，但可能会影响不同生态栖息地关联的宿主。其次，噬菌体的宿主范围是否与其自身生活史相关？先前对人类微生物组相关大肠杆菌噬菌体的研究发现，烈性噬菌体的宿主范围比温和噬菌体的宿主范围更广，为了检验这一点，试验比较了烈性噬菌体和温和噬菌体的宿主范围。总的来说，检测到特定噬菌体种类侵染的细菌种类或hsp60管家基因类型的总数与预测的生活史策略没有显著差异，说明侵染宿主范围不是由噬菌体生活史策略决定（图3）。
即使在看似罕见的相遇机率系统中，噬菌体粒子浓度也可以达到足够高的局部浓度，从而导致共享宿主中相同VIC（本试验利用两种方法来识别更多（种）和更少（属）密切相关的噬菌体群体，VIRIDIC和VICTOR；VIRIDIC确定基因组间核苷酸相似性，而VICTOR根据随后的成对全基因组距离比较来识别物种和属，简写为VIC）物种成员之间的共同侵染。在VIC种和VIC属水平上重组的重要性表明，噬菌体之间侵染的重叠并不能预测它们在自然微生物群落中重组的潜力。试验首先利用噬菌体之间共享任何100%相似的25 碱基对长度序列概括菌株和物种水平的相关性，并为潜在的水平基因转移事件提供标记。结果发现，潜在连通性比宿主侵染重叠所显示的要大得多（图 4a、b）。试验还发现了具有非重叠宿主范围的不同有尾噬菌体之间序列共享的证据（图 4c）。菌体基因组的保守区域检测特定近期基因转移事件(MetaCHIP41)的方法也揭示了不同VIC属的有尾噬菌体之间的联系，虽然没有重叠的宿主范围，但基因组大量序列存在高度相似性（图4d）。 总而言之，这些关于有尾噬菌体之间重组程度的结果表明，通常这些噬菌体侵染的宿主多于它们能够侵染的宿主。自然群落中多个不同噬菌体对宿主细胞的共侵染（噬菌体基因组之间重组所必需的）可能比基于宿主范围所预测的要普遍得多。
图4 侵染宿主菌株的重叠在有尾噬菌体中很少见，并且不反映不同 VIC属或形态类型的噬菌体之间的序列共享  本研究从现有的主流噬菌体-宿主互作研究出发，以海洋噬菌体为试验材料，做了大批量的交互侵染及基因组测序等分析。基因重组对全球和局部噬菌体多样性的重要性已被证实，本研究表明重组主要在共同侵染中产生的，这些共同侵染比想象的更为频繁。同源重组比突变对序列变异的贡献更高，表明很大程度上未观察到的隐性共侵染在当前进化和生态时代中正在发生。在被引入生物工程和治疗应用时，当前宿主范围的测定不能预测外源噬菌体基因在原位噬菌体基因组库中潜力扩散的重要性 。 论文信息 原名：Resolving the structure ofphage–bacteria interactions in the context of natural diversity 译名：在自然多样性的环境背景下解析噬菌体-细菌相互作用结构 期刊：Nature Communications 发表时间：2022.01.22 通讯作者：Libusha Kelly 通讯作者单位：美国纽约爱因斯坦医学院微生物学和免疫学系 |
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