中國科技大學(xué)在巢湖淡水噬藻體組學(xué)研究中取得新進(jìn)展

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)生命科學(xué)與醫(yī)學(xué)部周叢照教授課題組，從巢湖成功分離五株侵染偽魚腥藻Chao 1806的噬藻體Pam1~Pam5?；诒容^基因組學(xué)和宏基因組學(xué)分析，作者揭示了Pam1~Pam5的進(jìn)化多樣性，及它們在巢湖自然水體中的相對豐度，并以這五株實(shí)驗(yàn)室純化的噬藻體基因組序列作為參考基因組，鑒定了10株尚未培養(yǎng)的噬藻體。相關(guān)研究成果以“Comparative genomic analysis of five freshwater cyanophages and reference-guided metagenomic data mining”為題，于2022年8月17日在線發(fā)表在《Microbiome》上。

光合自養(yǎng)微生物藍(lán)藻作為地球上最重要的初級生產(chǎn)者，參與調(diào)控碳氮等物質(zhì)循環(huán)。然而隨著全球變暖以及城市化和工業(yè)化發(fā)展，水體富營養(yǎng)化日益嚴(yán)重。全球淡水水體每年都大范圍爆發(fā)季節(jié)性藍(lán)藻水華，對周邊流域的生態(tài)環(huán)境及人畜安全造成重大危害。噬藻體是一類特異性侵染和裂解藍(lán)藻的噬菌體，是藍(lán)藻的天敵，參與調(diào)控藍(lán)藻的季節(jié)性消長，因此有望成為一種環(huán)境友好型的水華治理工具。相比于被廣泛研究的噬菌體和海洋噬藻體，迄今為止只有少數(shù)的淡水噬藻體被分離、鑒定和測序，在很大程度上限制了噬藻體的研究和應(yīng)用。

通過在水華爆發(fā)季節(jié)從巢湖采集水樣，作者首先從巢湖水體中分離和放大培養(yǎng)了一株偽魚腥藻Chao 1806；并以此為宿主，篩選分離得到五株尾部形態(tài)各異的淡水噬藻體Pam1~Pam5（圖一）。全基因組測序表明，這五株噬藻體的雙鏈DNA基因組長度在36到142 Kb之間。隨后的比較基因組學(xué)和系統(tǒng)發(fā)育分析表明，Pam1~Pam5具有不同的DNA包裝機(jī)制，且在進(jìn)化上是相互獨(dú)立的。利用宏基因組學(xué)分析手段，作者計(jì)算了它們在巢湖南淝河口水體中的相對豐度，結(jié)果表明短尾噬藻體Pam1和Pam5占主體。進(jìn)一步，作者以Pam1~Pam5和先前報(bào)道的其它淡水噬藻體基因組做參考基因組，從巢湖水體的宏基因組數(shù)據(jù)中聚類出10個新的尚未培養(yǎng)的淡水噬藻體重疊群（圖二）。基于上述分析，作者提出了一種基于現(xiàn)有宏基因組數(shù)據(jù)以及有限的實(shí)驗(yàn)分離噬藻體的參考基因組的高通量鑒定新噬藻體的策略，可應(yīng)用于系統(tǒng)性挖掘未培養(yǎng)的噬菌體或病毒的完整或部分基因組。結(jié)合合成生物學(xué)手段，將體外合成的基因組轉(zhuǎn)化適當(dāng)宿主，可以得到大量新的噬藻體，大大豐富地球上已知微生物庫。

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)生命科學(xué)與醫(yī)學(xué)部周叢照教授和李瓊特任副研究員為該論文的共同通訊作者。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心博士生杜康為該論文第一作者。該研究工作得到了國家自然科學(xué)基金委與安徽省區(qū)域聯(lián)合基金重點(diǎn)項(xiàng)目、科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、安徽省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目和中央高校基礎(chǔ)科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金的資助支持。

圖一 巢湖分離的五株淡水噬藻體Pam1~Pam5形態(tài)圖

圖二 10株尚未培養(yǎng)的淡水噬藻體重疊群的進(jìn)化分析