海洋SAR11噬菌体遗传多样性及其与宿主协同进化研究

Marine phages are the major factor for the mortality of marine bacteria and major players in ocean ecosystems. A recent study shows that SAR11 phages infecting marine SAR11 bacteria are abundant in the ocean. However, the diversity and phage-host interactions of SAR11 phages are still largely uncharacterized. This proposed study aims to gain further insight into the genomic diversity and phage-host coevolution of SAR11 phages. This abundant, ecologically important group of marine viruses will be studied with respect to physiological features, genome content, genomic diversity, relative abundance and coevolution with their hosts. Firstly, SAR11 phages will be isolated from the seawater by using extinction dilution method, and the genome content, genomic diversity and evolution of SAR11 phages will be studied by genomic and comparative genomic analysis. Secondly, the relative abundance and distribution of SAR11 phages will be explored by searching against marine viral metagenomic database. Thirdly, the phage-host coevolution will be investigated by studying the bacterial and viral genomic diversification. The outcomes of this proposed research include a deeper understanding of the diversity and abundance of the SAR11 phages, an understanding of how SAR11 phages evolved to cope with marine environments and how SAR11 phages impact on SAR11 evolution and globally biogeochemical cycles.

噬菌体是海洋细菌的主要致死因子，也是海洋浮游病毒的主要组成，具有重要的生态功能。SAR11细菌是海洋中丰度最高的细菌类群，申请人首次发现感染SAR11细菌的噬菌体是海洋中最丰富的噬菌体之一, 但SAR11噬菌体的遗传多样性及其与同宿主的相互作用尚无报道。本项目拟采用灭绝稀释技术分离来自不同海区感染不同宿主的SAR11噬菌体，首先结合基因组学和比较基因组学方法研究SAR11噬菌体的遗传多样性，分析SAR11噬菌体适应海洋环境和宿主的机制；其次通过宏基因组数据库分析揭示SAR11噬菌体在海洋中的丰度和分布; 第三，建立SAR11噬菌体-宿主的模式研究系统，研究噬菌体和宿主基因组的协同进化，解析噬菌体在SAR11基因组进化中扮演的角色。本项目旨在全面揭示海洋SAR11噬菌体的遗传多样性和生态分布模式，探索SAR11噬菌体与宿主相互作用，为揭示SAR11噬菌体在海洋碳循环中的关键作用奠定基础。

SAR11（Pelagibacterales order）是海洋中分布最广、丰度最高的细菌类群，对全球重要元素的生物地球化学循环具有重大的影响。感染SAR11细菌的SAR11噬菌体（Pelagiphages）在海洋中十分丰富，影响着SAR11的群落结构、进化轨迹和生理生态功能，进而影响着海洋的物质循环和能量流动。目前只有少数关于SAR11噬菌体的报道，对SAR11噬菌体的认识还十分有限。本研究首先从全球不同海区的样品中分离出大量SAR11噬菌体，结合基因组学和比较基因组学的方法开展SAR11噬菌体的遗传多样性研究。通过对HTVC019P-type和HTVC010P-type类群的SAR11噬菌体进行研究发现此两个类群的SAR11噬菌体具有丰富的多样性。研究发现其中一些HTVC019P-type和HTVC010P-type类群的SAR11噬菌体基因组中编码整合酶基因，结合多种研究手段识别出这些具有整合酶基因的SAR11噬菌体的整合位点。这些SAR11噬菌体具有溶源性表明它们能够通过多种机制影响SAR11群体，包括致死宿主，遗传交换和可能的病毒诱导免疫。本研究还得到一些属于新的噬菌体类群的SAR11噬菌体，使得已知SAR11噬菌体的类群从三个增加到了七个。这些新分离的SAR11噬菌体与宏基因组中识别出重要的但缺乏可培养代表病毒类群紧密相关。本研究通过宏基因分析揭示了SAR11噬菌体在海洋中的优势地位，发现SAR11噬菌体比多数已知的海洋噬菌体更为丰富。尽管SAR11噬菌体普遍在表层海水比较丰富，但一些SAR11噬菌体的序列在深层海水中也存在，表明它们可能能够感染深海SAR11亚群。研究发现不同的噬菌体类群中，HTVC023P-type类群是目前已知最丰富的噬菌体类群。在研究SAR11噬菌体多样性的同时，本项目在一些SAR11噬菌体-SAR11宿主模式系统中研究噬菌体抗性对宿主基因组进化的影响。结果表明SAR11噬菌体能够作为选择压力推动SAR11基因组的进化。本研究大大加深对于SAR11噬菌体多样性和生态分布的认识，有助于我们理解噬菌体对海洋微生物群落的生态和进化过程的影响。