溶源性噬菌体对海洋细菌生理生态特性的影响

Lysogeny, the integration of the temperate phage genome (termed prophage) into the host’s genome, is one of the most popular life strategies of phage. This kind of viral infections are passed to daughter cells and can be ‘activated’ (or induced) to cause host lysis by chemical or physical manipulations. However, it is poorly understood how the lysogenic phage impact host’s ecophysiological characteristics, particularly in marine environments. In this project, we will investigate 1) the influence of lysogenic phage on genome, genomic diversification, metabolism and utilization of C, N, S and P sources as well as their response to environmental changes (e.g. pH, salinity) of model marine bacterial isolates; 2) the influence of lysogenic phage on ecological traits (such as abundance, production, diversity, community structure and function) of bacterioplankton in South China Sea. Through these studies, we may evaluate the importance of lysogeny for the ecological processes and biogeochemical cycling mediated by marine bacterioplankton.

溶源性侵染是噬菌体除裂解性侵染之外的重要生活方式，通过溶源性侵染，噬菌体将自身DNA整合到宿主菌基因组中并随着细菌DNA复制而复制。噬菌体DNA的插入会导致宿主菌基因突变，进而影响其生理生态特性和生态效应。目前有关溶源性噬菌体对海洋细菌生理生态特性影响的研究较少，缺乏溶源性侵染对细菌参与的海洋生态过程影响的系统认识。本项目计划通过室内试验和现场调查相结合的方式，研究溶源性噬菌体如何在基因组水平上和表型水平上影响典型海洋宿主细菌对碳、氮、磷等重要生源要素的利用、代谢以及对环境参数的响应；研究溶源性噬菌体如何影响南海海洋浮游细菌类群生态特性（丰度、生产力、多样性、群落结构、功能基因等）；进而评估噬菌体的溶源性侵染对海洋细菌介导的生态过程的影响。

噬菌体是地球上丰度最高的生物形式。噬菌体主要通过两种方式侵染宿主细菌：裂解性侵染和溶源性侵染。溶源性侵染是细菌基因组水平基因转移的重要机制之一，在溶源性侵染方式中，病毒并不立刻大量复制自身并裂解细菌，而是将自身的基因组整合进细菌的基因组并随着细菌基因组的复制而增殖（被称为前噬菌体）。在基因组整合的过程中，溶源性噬菌体会携带一定的原宿主的功能基因，而且会通过插入而对宿主基因组带来影响，改变宿主的生理生化特性并影响宿主的进化。本项目分离了典型海洋异养细菌（玫瑰杆菌）的噬菌体，具有裂解性和溶源性的基因特征，建立了模式研究体系，并通过高通量表达芯片发现了病毒侵染过程中的优势表达基因，评估了病毒侵染对宿主代谢途径的影响；自南海和西太分离原绿球藻并通过比较基因组学发现前噬菌体可能介导了光合自养宿主微生物的水平基因转移，进而对宿主基因组进化和生态适应性产生影响；调查了河口（珠江口和九龙江口）、近海（南海）和大洋（西太平洋）海区溶源性侵染和裂解性侵染的比例，发现病毒的侵染策略与环境条件密切相关，环境变化会导致部分溶源性噬菌体进入裂解周期，深海等不利环境条件下溶源性比例则有一定程度的升高；首次提供了深部生物圈病毒活性的实验证据并定量了溶源性病毒和裂解性病毒的生产力；我们在日周期和潮汐周期的时间序列研究中，发现噬菌体溶源性-裂解性的转换受到环境因子变化（如淡咸水混合、潮汐、光照等）的调控，同时，溶源性-裂解性的转换对宿主的丰度、生产力、多样性和群落结构有显著的影响，进而决定了海洋微生物对环境因子的动态响应。总而言之，本项目揭示了病毒侵染策略这一之前被忽视的因素对微食物环和生物地球化学过程的重要影响。