【连载】噬菌体vs细菌：宿命的对决II

二：噬菌体的分类

在土壤中，噬菌体主要以3种状态存在：少部分以游离状态存在，大部分（超过90%）被土壤颗粒吸附而固定，其他部分则以溶原状态存在于寄主细胞中。因此，对土壤噬菌体数量的精确测定一直以来都是一个挑战(Kimura et al. 2008)。

利用核酸染色-荧光计数法可以相对快速地估计环境中的病毒数量，但是一方面难以将噬菌体与其他病毒区分开，另一方面由于溶原性噬菌体的存在，真实的土壤病毒数量往往要高于观测到的数值(王光华 2017)。利用这种方法，科学家们估计土壤中病毒丰度可高达10⁹ VLP/克干土(Reavy et al. 2014)。不同土地利用方式对土壤病毒丰度影响很大，森林土壤中病毒数量在1.31×10⁹-4.17×10⁹ VLP/克干土之间，明显高于农业土壤中的病毒数量（0.87×10⁹-1.1×10⁹ VLP/克干土(Williamson et al. 2005)；不同施肥处理下土壤中病毒的丰度也有差异，红壤耕作层病毒数量在1.34×10⁷-13.1×10⁷ VLP/克干土之间，以施用氮磷钾化肥（NPK）配施有机肥（M）处理最高，单施氮肥（N）处理最低(Chen et al. 2014)。通过不同的角度，可以用不同的方法对这些噬菌体进行分类。

一、通过病毒学划分

根据2011年发布的《病毒分类—国际病毒分类委员会第９次报告》(Murphy et al. 2012)，病毒可以分为6个目，87个科，19个亚科，349个属，2284个种。第9次报告将噬菌体分为５个阶元(冯烨et al. 2013)：

第一阶元是按照噬菌体的核酸类型（DNA或RNA）及其单双股形式划分“群”。

第二阶元是按照科间的密切亲缘关系设立“目”。

第三阶元是按照属间的密切亲缘关系设立“科”和“亚科”。

第四阶元是科下设“属”。

第五阶元是属下分“种”。

二、按照携带的核酸划分

噬菌体可以携带双链DNA（dsDNA，线状或环状）、单链DNA（ssDNA，环状）、双链RNA（dsRNA，线状）或者单链RNA（ssRNA，线状）。总的来说，以携带线状dsDNA的噬菌体居多。

三、按照噬菌体形态划分

从形态上，也就是蛋白质结构上，可以分成：有尾（蝌蚪形）噬菌体、无尾（球形）噬菌体、线状（丝状、杆状）噬菌体。

有尾噬菌体：

这种噬菌体除了一个二十面体的头部外，还有由一个中空的针状结构及外鞘组成的尾部，以及尾丝和尾针组成的基部。常见的有尾噬菌体有：T2、T4、T7、P2、P22、λ、φ29。

（T-2噬菌体示意图）

球状噬菌体：

这种噬菌体为一个二十面体，外表由规则排列的蛋白亚单位衣壳组成，核酸则被包裹在内部。常见的球状噬菌体有：PM2、φX174、MS2、φ6。

（φX174衣壳结构）

线状噬菌体：这种噬菌体呈线状，没有明显的头部结构，而是由壳粒组成的盘旋状结构。常见的线状噬菌体有：M13、f1、fd。

（M13噬菌体示意图）

四、按照生活史划分

据噬菌体与宿主的关系又可分为烈解性噬菌体（virulent phage）和温和性噬菌体（temperate phage）。前者侵染宿主的性质，导致细菌菌体裂解死亡并释放大量子代噬菌体；后者侵染细菌后，将自身的基因组整合进宿主细胞的基因组，与宿主一同复制。此时，这种宿主细菌称为溶原性细菌。溶原性细菌内存在的整套噬菌体DNA基因组称为原噬菌体(prophage)。

这些噬菌体具有4种不同的生活史：裂解循环、溶源循环、慢性循环和伪溶源循环(Mirzaei & Maurice 2017)。

1）裂解循环(Lytic cycle)：

裂解性噬菌体吸附于细菌表面，与细胞表面特异性受体蛋白结合或者用溶菌酶“炸”开一个缺口，注入携带的基因组。黑客一般的噬菌体基因组利用细菌的代谢系统进行自我复制以及噬菌体的组装。噬菌体成熟后，溶解细菌细胞壁的溶菌酶逐渐增加，促使细胞裂解，从而释放出子代噬菌体。

因此，我们可以利用病原菌的裂解性噬菌体来防控土传病害。

2）溶源循环(Lysogenic cycle)：

温和性噬菌体同样能侵染细菌并释放基因组，不过这些基因组整合在细菌基因组中，并不立即组装为子代噬菌体裂解宿主而是成为原噬菌体与宿主一同复制。当然，在一定条件下，原噬菌体也会被诱导而发生切离(excision)，使之进入裂解循环。此前的文章中，我们就介绍了一种由“仲裁因子”决定的裂解-溶源选择《清明节到了，猜猜噬菌体是怎么扫墓的？》

3）慢性循环(Chronic cycle)：

慢性循环多见于线状噬菌体。噬菌体基因组进入细菌后在细菌细胞内复制增殖，组装为子代噬菌体。但是，线状噬菌体离开细胞并不需要裂解细菌宿主。

4）伪溶源循环(Pseudolysogeny cycle)：

噬菌体基因组进入宿主细菌细胞后既不整合入宿主基因组，也不复制，更不组装成噬菌体。d’Herelle 在1930年观察到了这种噬菌体和细菌和平共处的现象，称之为“bacterium–bacteriophage symbiosis”(d’Herelle 1930)；Delbrück在1946年将这种现象命名为“pseudolysogenesis”(Delbrock 1946)；Lwoff 在1953年将携带这一类噬菌体的细菌称为“the carrier strains”(Delbrock 1946; Lwoff 1953)。这种现象可以看作是细菌-病毒的兼性共生，然而，数十年过去了，这种特殊的噬菌体究竟在生态系统中扮演着怎样的角色，我们仍然知之甚少。

下期预告：噬菌体群落的多样性

参考文献：

Chen, L., Xun, W., Sun, L., Zhang, N., Shen,Q. & Zhang, R. (2014). Effect of different long-term fertilization regimeson the viral community in an agricultural soil of Southern China. European journal of soil biology, 62,121-126.

d’Herelle, F. (1930). Elimination dubacteriophage dans les symbioses bacterie-bacteriophage. Compt. Rend. Soc. Biol, 104, 1254.

Delbrock, M. (1946). Bacterial viruses orbacteriophages. Biological Reviews,21, 30-40.

Kimura, M., Jia, Z., Nakayama, N. &Asakawa, S. (2008). Ecology of viruses in soils: Past, present and futureperspectives. Soil Science and PlantNutrition, 54, 1-32.

Lwoff, A. (1953). Lysogeny. Bacteriological Reviews, 17, 269.

Mirzaei, M.K. & Maurice, C.F. (2017).Menage a trois in the human gut: interactions between host, bacteria andphages. Nature reviews. Microbiology,15, 397-408.

Murphy, F.A., Fauquet, C.M., Bishop, D.H.,Ghabrial, S.A., Jarvis, A., Martelli, G.P.et al. (2012). Virus taxonomy:classification and nomenclature of viruses. Springer Science & BusinessMedia.

Reavy, B., Swanson, M.M. & Taliansky, M.(2014). Viruses in Soil. In: Interactionsin Soil: Promoting Plant Growth (eds. Dighton, J & Krumins, JA).Springer Netherlands Dordrecht, pp. 163-180.

Williamson, K.E., Radosevich, M. &Wommack, K.E. (2005). Abundance and diversity of viruses in six Delaware soils.Applied and environmental microbiology,71, 3119-3125.

冯烨, 刘军, 孙洋 & 冯书章 (2013). 噬菌体最新分类与命名. 中国兽医学报, 1954-1958.

王光华 (2017). 掀开土壤生物“暗物质”——土壤病毒的神秘面纱. 中国科学院院刊, 575-584.

-The End-

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