2023-07-17
《Environmental Microbiome》 影响因子 7.9
近日，中国科学技术大学在环境科学与生态学领域的《Environmental Microbiome》发表新研究成果！本研究揭示了伪鱼腥藻Chao1811的噬藻体Pan1~Pan5的基因组特征以及进化多样性；系统发育分析为蓝细菌和α-变形菌建存在的由噬菌体噬菌体介导的门间基因水平转移提供了直接证据。此外，首次在噬藻体中发现了水平基因转移不仅可能发生在种间，甚至可能发生在门间的进化痕迹，这表明噬菌体或噬藻体可以作为一种强大的工具在不同物种或门之间进行基因操作。 本研究的噬菌体基因组测序和分析由上海派森诺生物科技股份有限公司完成。
一、研究背景
随着发展中国家的快速发展和城市化，不断发展的城市周边水体污染严重，富营养化程度高，从而导致蓝藻的季节性爆发。系统地分离和鉴定淡水噬藻体可能为控制可怕的水华提供一种生物解决方案。然而，迄今为止，对淡水噬藻体的基因组序列和相关研究仍然非常有限。本研究以巢湖产的一株伪鱼腥藻Chao 1811为寄主，进一步分离纯化了4个长尾和1个短尾淡水噬藻体。比较基因组学和系统发育分析表明，这五种噬藻体在进化上彼此不同。
二、研究材料与方法
1.实验材料：伪鱼腥藻Chao1811中分离得到的5个噬菌体，命名为Pan1~Pan5 2.测序平台：Illumina 3.分析内容：噬菌体基因组测序、系统发育树构建、共线性分析等。
三、研究结果
伪鱼腥藻 Chao 1811及5种噬藻体的鉴定 经过三轮筛选分离得到一株蓝藻，16S分析将该菌株归属于Pseudanabaena属，命名为伪鱼腥藻Chao 1811。全基因组测序结果表明，伪鱼腥藻Chao 1811拥有4,729,581 bp的基因组，GC含量为43%，其中包含4,329个假定的开放阅读框。分离纯化了5株噬藻体，这些噬菌体以Chao 1811为寄主。电镜显示，Pan1具有长94 nm、宽58 nm的长型二十面体头部，与T4噬菌体相似，Pan2~Pan5均具有直径约60~70 nm的经典二十面体头部。从尾巴形态上看，它们分属两科：Pan1、2、4、5，尾巴长而灵活；Pan3，尾巴短而不收缩。 图1 伪鱼腥藻Chao 1811与5种噬藻体的鉴定 噬藻体Pan1~Pan5的基因组序列 对5个噬藻体进行全基因组测序，结果显示其均含有一个双链DNA基因组，大小为72,037、51,031、37,962、37,173和46,546 bp。除Pan5外，Pan1~Pan4的GC含量均显著高于宿主Chao 1811。值得注意的是，具有长尾头部的Pan1具有高度紧凑的基因组，表明其具有独特的基因组包装模式。噬藻体Pan1~Pan5分别拥有104个、103个、65个、55个和71个ORF，这些注释蛋白可分为结构蛋白、核苷酸代谢蛋白、DNA复制与包装蛋白和其他功能4个功能基团；在Pan1中发现了一个典型的AMG phoH (gp18)。此外，首次在噬藻体中发现Pan1编码一个DNA转移蛋白gp25，该蛋白有助于将噬菌体DNA注射到宿主中。 图2 噬菌体基因组圈图（以pan1和pan2为例） Pan1~Pan5的比较基因组学分析 比较基因组分析发现Pan1~Pan5在基因组水平上存在差异，为了进一步研究这五种噬藻体的进化关系，对183个已测序的噬藻体基因组进行了蛋白质树构建，将噬藻体分为三个群体：群体I包含海洋长尾噬藻体和大多数淡水噬藻体，群体II和III分别包含海洋短尾和收缩尾的噬藻体。进化树结果显示Pan1~Pan5位于两个分支上：一个与Pan1、Pan3和Pan4，另一个与Pan2和Pan5。在蛋白质组学树中，Siphoviridae Pan1和Podoviridae Pan3与先前分离的Myoviridae Pam3和Podoviridae Pam1的进化距离比较近。综上所述，尽管感染同一个寄主Chao1811，但噬藻体Pan1~Pan5在进化上存在多样性。 图3 蛋白质进化树 Pan1类似于感染α-变形菌的噬菌体 噬菌体全基因组进化树分析显示：Pan1~Pan5不属于同一分支或相邻分支，而是离散分布的，表明它们具有不同的进化起源。根据SG值，Pan1、Pan2和Pan5分别在一定程度上与噬菌体聚集在一个分支中。但Pan3和Pan4分别与具有相同尾部形态的噬藻体Pam1和MinS1聚集在一起。且进行基因组比对发现发现Pan1在基因组水平上与感染α-变形菌的噬菌体vB_DshS-R5C相似。 图4 Pan1~Pan5的系统发育分析 噬菌体介导基因转移的进化痕迹 为了筛选噬菌体与宿主之间潜在的重组，blast比对发现Pan1与Chao 1811共有14个同源蛋白，而vB_DshS-R5C与D. shibae DFL 12共有24个同源蛋白。值得注意的是，这两种噬菌体及其宿主共有3个蛋白质PhoH、DNA聚合酶I和DNA聚合酶III亚基γ/τ，它们在Chao 1811和D.shibae DFL12之间的序列同源性分别为43%、36%和21%。系统发育分析表明，蓝藻菌和α-变形菌的PhoH蛋白大部分是分开类群的；然而，来自α-变形菌门的一对PhoH蛋白被分组在蓝藻门的分支中，表明两个门之间的PhoH基因交换。 图5蓝藻与α-变形菌门间基因转移的进化痕迹 16S测序发现除70.1%的伪鱼腥藻Chao 1811外，α-变形菌属为主要污染菌种。这表明Chao 1811确实倾向于与α-变形菌在同一群落中共存，这为门间基因转移提供了可能。此外，Chao 1811的全基因组测序数据中还可以组装出长度为3,135,941 bp的α-变形菌。序列分析表明，它还编码一个辅助代谢蛋白PhoH，与Pan1和Chao 1811的序列同源性分别为26.87%和40.60%。值得注意的是，Chao 1811编码多个重组酶、整合酶以及超过160个转座酶，这可能使基因重组的频率很高。噬藻体Pan1也编码三种RcGTA-like蛋白gp37、gp96和gp101，进一步表明基因从α-变形菌转移的痕迹。此外，上述phoH基因存在于两种噬菌体(Pan1和vB_DshS-R5C)及其宿主(蓝藻菌和α-变形菌)中，为噬菌体介导的门间基因转移提供了直接证据。
四、结 论
本研究分离并鉴定了5种感染Pseudanabaena sp. Chao1811的淡水噬藻菌Pan1~Pan5，对其进行比较基因组分析，使人们能够更好地了解淡水噬藻的进化多样性。此外，通过系统发育分析，在不同的噬菌体之间，或宿主蓝藻与附着的α-变形菌之间，表征了一系列基因转移的进化痕迹。这表明噬菌体介导的门间水平基因转移将赋予细菌在进化过程中适应波动环境的新特征。
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文章索引：Zhu J, Yang F,Du K, et al.Phylogenomics of five Pseudanabaena cyanophages and evolutionary traces of horizontal gene transfer[J]. Environmental Microbiome, 2023, 18:3
