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通过深度宏基因组研究水生态系统中以噬菌体为中心的生态群落作用

来源:admin    发布时间:2020-09-03   阅读数:78

Phage-centric ecological interactions in aquatic ecosystems revealed through ultradeep metagenomics

通过深度宏基因组研究水生态系统中以噬菌体为中心的生态群落作用

作者:Vinicius S. Kavagutti 等

期刊:Microbiome

IF:10.465

发表时间:2019.10

研究手段:宏基因组/宏病毒组

DOI:10.1186/s40168-019-0752-0


一、文章导读

在水生微生物群落中,数量最丰富的类别——噬菌体病毒,仍然是最难以捉摸的,特别是在淡水中,他们的分类和生态仍然是未知的。因此,本文研究者利用远洋淡水生境的超深度宏基因组测序,找到了大于2000个噬菌体的完整基因组,研究了噬菌体在淡水系统中的物种分类和时空分布特征。


二、主要工作

1、该研究的采样点分为两个,分别是人工系统的?ímov水库和自然系统的Ji?ická池塘。

2、2015年6月到2017年8月,水库共选择18个样本,其中10个来自浅水层,8个来自深水池。2016年5月到2017年8月,池塘共选择5个样本,取样深度为0.5m。

3、通过对共计23个样本宏基因组测序结果,分析病毒的分布、种类和功能;

4、从23个样本中共采集到了1.9Tb的数据,大部分样本数据量在54Gb左右。同时还收集了来自其他研究的宏基因组样本,共计1.09Tb。所有样本都采用了单独组装,在组装数据中对病毒基因组进行筛选,使用VirSorter和MARVEL,对长度大于10Kb的contigs鉴定是否是病毒。

5、从本研究的样本中获得1677个基因组,其他研究的样本中获得357个基因组,共计2034个基因组。


三、主要结果

1、噬菌体基因组分析

在三个采样点中(?ímov浅水层598个,深水层800个,Ji?ická池塘279个)共发现1667个基因组。通过去冗余分析发现三分之二的病毒基因组是重复的。该研究收集了来自海洋生态系统的噬菌体,并与淡水系统中的噬菌体进行了比较。结果如图1d和e所示:其基因组大小分布显示在两个系统中噬菌体基因组的大小分布相似,大部分分布在40-60Kb,155个小基因组噬菌体(约为15Kb)除外,出现了峰值。比较GC%结果显示,淡水系统与海洋系统不相同,也侧面反映了菌群结构的不同(图1f)。

比较了本研究发现病毒基因组与已知数据库中基因组的种类,在淡水系统中发现了775个未在数据库中发现的基因组,同时也发现553个海洋噬菌体独特基因组。 该研究通过宿主基因、tRNA相似性以及CRISPR位点对所有噬菌体的宿主进行预测,预测数最多的宿主为放线菌。这些放线菌噬菌体的基因组大小比较分散(图1h),说明被多种噬菌体感染。

基因组数据图
图1 基因组数据


2、宿主预测和噬菌体的生物习性分析

在24个淡水噬菌体中发现一种真核毒素--ADP核酸转移酶,该毒素可以抑制肌动蛋白的聚合,参与被噬菌体感染的细胞吞噬以及定向裂解真核生物。

254个淡水噬菌体中发现存在关于缓解氧化应激的基因,说明为了更好的生存,噬菌体为宿主提供了氧气的能力。水生细菌通常会受到自身代谢机制产生的活性氧(ROS)(超氧化物、过氧化氢和羟基自由基),细菌中广泛存在的多种ROS防御机制表明,氧化应激是其健康的主要威胁之一,也是死亡率的主要元凶。因此,基于在这些淡水噬菌体中发现的过多的ROS防御机制,例如,铁蛋白阻止ROS的形成,超氧化物歧化酶和谷胱甘肽过氧化物酶抑制ROS,硫氧还蛋白和谷胱甘肽修复被氧化的氨基酸,特别是半胱氨酸,蛋氨酸和PAPS还原酶促进还原性硫基团同化,研究者认为噬菌体可以为其宿主对抗氧化应激的有害影响提供手段。这样的策略对噬菌体是有益的,因为它确保了宿主的存活(在溶原过程中)和增殖(在溶原过程中),并保护自身的蛋白质和DNA免受氧化损伤。

大概50%的细菌会被单细胞真核生物所吞噬,同时具有较高的噬菌体感染率,因此该研究推测噬菌体存在两种生存策略:特洛伊木马策略和偶联噬菌体活性氧防御策略。

 淡水环境中的病毒生存策略图
图2 淡水环境中的病毒生存策略。左侧代表特洛伊木马策略;右侧代表偶联噬菌体活性氧防御策略


3、噬菌体在不同时间点的丰度

噬菌体的丰度模式从?imov水库(n = 1398)表现出季节性的波动。不同的噬菌体群在夏季的不同层中达到顶峰。一些噬菌体一年四季都存在,而另一些噬菌体则不是。从丰度频度上讲,不同时间点的样本中存在共有的噬菌体,例如其中一个噬菌体在所有12个时间点均存在,说明噬菌体的存在具有持久型,这种持久性可能与宿主的持续存在有关。

18个宏基因组中?imov水库噬菌体的相对丰度图
图3 18个宏基因组中?imov水库噬菌体的相对丰度


4、放线菌噬菌体及其宿主的时空动态

放线菌以及其噬菌体丰度很高,文章重点分析了噬菌体基因组及放线菌基因组的特征。放线菌噬菌体相似度和覆盖度高于95%的噬菌体被认为是一个簇,结果发现同一个簇的基因组信息基本相同,但不同簇之间的基因组信息差异较大,证明噬菌体会侵染不同的放线菌。

放线菌噬菌体的丰度特征图
图4 放线菌噬菌体的丰度特征


在相对丰度变化上,噬菌体在浅水层的变化要比深水区大,噬菌体在深水层的变化与宿主的变化相似,均表现出较为稳定的变化趋势,说明浅水层宿主微生物随时间的变化而变化,而深水层的宿主微生物已经适应了长期低温的环境趋于稳定。通过已知205个参考基因组和305个重组基因组构建进化树。由内到外的环代表物种分类、进化分支、采样位置的温度;黄色、红色和绿色五角星代表基于16S rRNA的分类结果。

来自?ímov水库放线菌丰度特征图
图5 来自?ímov水库放线菌丰度特征



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