【LorMe周刊】巨型噬菌体新发现-利用宿主间接影响淡水环境中甲烷循环

作者：李婷婷，南京农业大学硕士在读。主要研究根际噬菌体-青枯菌共进化动态。

周刊主要展示LorMe团队成员优秀周报，每周定期为您奉上学术盛宴！本期周刊介绍淡水巨型噬菌体与促进宿主菌甲烷循环的关联。原文于2020年发表在Nature Microbiology。

导读

过去的研究中通常认为噬菌体基因组长度在55kb左右，但近来甚至有研究发现了基因组长度达到735kb的噬菌体。越来越多的证据表明，巨型噬菌体在各种微生物群落中普遍存在，但目前关于它们的遗传信息及其在生态系统中的潜在影响知之甚少。在本研究中，利用已知含有氧化甲烷的细菌重建来自淡水湖泊中的巨型噬菌体基因组。在手动整理的基因组中，发现22个（完整的18个）长度在159kb至527 kb之间的编码pmoC基因。pmoC基因是甲烷单加氧酶的酶促关键亚基，它是自然界中最主要的甲烷氧化催化剂。噬菌体相关pmoC序列与其共存的甲烷氧化菌（包括甲烷甲基球菌，甲基囊藻和甲基杆菌属）的序列高度相似性（>90％）。另外，PmoC-噬菌体的丰度与其共存的甲烷氧化菌的丰度相关，表明二者之间存在联系。未来的工作重点是确定噬菌体相关的pmoC是否与细菌基因组中编码的额外的pmoC拷贝具有相似的功能，能够促进甲烷的产生。Rotsee湖（瑞士）的转录组学数据表明一些噬菌体相关的pmoC基因在原位大量表达，并且有趣的是，被三个PmoC-噬菌体侵染的甲烷氧化菌生长最快。因此，侵染期间PmoC-噬菌体会促进细菌中甲烷的氧化作用，并调控这种温室气体的排放。

科学问题

巨型噬菌体对于以甲烷氧化为营养的细菌中甲烷循环是否有影响？如何影响？

试验方法

利用从淡水中筛选到的巨型噬菌体和对应的宿主细菌作为试验材料，甲烷氧化的关键酶促亚基pmoC作为突破点，对比巨型噬菌体与宿主中的pmoC序列片段，并对照有无巨型噬菌体侵染的宿主菌甲烷氧化程度，以此探究巨型噬菌体对于宿主细菌的甲烷循环的影响。

结论一：巨型噬菌体和宿主细菌中的PmoC序列具有高度相关性

通过对比巨型噬菌体和宿主基因组发现，二者基因组中编码的pmoC具有高度的相关性。在试验所用α-蛋白细菌和γ-蛋白细菌都属甲烷氧化菌，同时在巨型噬菌体基因组中存在铜结合位点必需的残基，即Asp156，His 160（图1a）。而试验所用噬菌体和宿主pmoC序列相关性高达90%以上（图1b）。有趣的是，在某些样品中，与噬菌体相关的pmoC的丰度高于细菌的pmoC。

图1 细菌和噬菌体相关的pmoC。

注：图a，一些细菌和噬菌体相关的pmoC序列的比对，突出显示了pmoC中用于铜离子配位的三个残基：TP6_1，BML_3和BML_4的pmoC基因被片段化（红色箭头）。图b，细菌和噬菌体相关pmoC的系统发生分析，彩色区域是已发表和目前报道的细菌序列。

结论二：含PmoC片段的巨型噬菌体对宿主细菌中的甲烷循环具有促进作用

巨型噬菌体基因序列中的pmoC序列不仅与宿主相关序列具有高度相关性，在Rotsee湖中采样的巨型噬菌体转录试验中，pmoC序列呈现出高转录活性（图2a），这表明巨型噬菌体中的pmoC序列是实际起作用的。在对照实验中，受到相关噬菌体侵染的宿主细菌都表现出了更高的甲烷氧化循环速度。细菌宿主LR_4、LR_5和LR_6，与未被含pmoC序列噬菌体侵染的其他宿主菌相比显示出更高的生长速率（由iRep值确定）（图2e），表明这些含pmoC序列的巨型噬菌体能够促进宿主的甲烷营养循环，同时具有影响淡水环境中甲烷循环的潜力。

图2 pmoC序列的转录活性与相关宿主菌生长比对

总结

在过去的研究中巨型噬菌体对于甲烷循环的作用往往会被忽略，但是本研究表明，某些含pmoC的巨型噬菌体（PmoC-噬菌体）能够通过促进相关宿主的甲烷循环，进而具有影响淡水生态系统环境中的甲烷氧化以及碳循环的潜力。而PmoC-噬菌体因为具有与宿主菌高度相似的pmoC片段成为促进宿主菌加快甲烷循环的关键因子。

论文信息

原名：Large freshwater phageswith the potential to augment aerobic methane oxidation

译名：淡水巨型噬菌体对于宿主菌甲烷氧化循环的潜在作用

期刊：Nature Microbiology(2020)

IF₂₀₂₀：14.300

发表时间：2020.08.24

通讯作者：Jillian F. Banfield

通讯地址：美国加州大学伯克利分校地球与行星科学系