蓝藻水华

我国淡水湖中的太湖、巢湖、滇池等多次发生大面积水华，造成藻类大量繁殖，污染水质，制约水资源的利用，危害人的健康生存（图1）。目前，治理蓝藻水华的方法主要有物理防控、化学防控和生物防控，物理和化学的防治方法相较于生物方法而言，成本高、效率低且容易破坏生态环境，大多只能短期抑制水华蓝藻的生长，却难以从根本解决问题。

噬藻体是一类特异性感染蓝藻的水生病毒，是调节宿主群落、食物网、碳循环和养分循环的关键因素。噬藻体在调节蓝藻种群中起着关键作用，可作为一种环境友好的生物制剂用于控制蓝藻水华，因此其在防治蓝藻过度繁殖而引起的水华上潜力巨大, 被认为是一类具有潜在控藻能力的生物因子而引起广泛关注。

 

 

 图1 2016年8月宁波市某江现场取样照片

噬藻体

根据噬藻体宿主细菌所生存的环境可将其分为海洋噬藻体和淡水噬藻体。目前所分离得到的噬藻体绝大多数属于海洋噬藻体，其宿主主要以聚球藻(Synechococcus)和原绿球藻(Prochlorococcus)为主，关于淡水噬藻体和微囊藻噬藻体的报道很少。迄今为止，仅有10株微囊藻噬藻体被报道，其中只有5株微囊藻噬藻体具有全基因组序列。

在这里，我们使用铜绿微囊藻FACHB-924作为指示蓝藻菌株，分离出一种新的淡水噬藻体Mae-Yong924-1。Mae-Yong924-1具有几个不同寻常的特征:跨分类分类单元感染性；特殊的形状和独特的全基因组序列；在基于全基因组相似性的系统发育树中单独形成一个根节点。因此，Mae-Yong924-1可能代表一个不同于其他病毒的新科。

研究结果

（1） 噬藻体Mae-Yong924-1的形态观察

在电镜下观察发现，负染色的Mae-Yong924-1具有直径约为100 nm的近球形头部。Mae-Yong924-1的尾巴或尾巴状结构（长度约为40 nm）非常独特就像一个圆形中国灯笼的流苏（图2）。

 

 图2  电镜下噬藻体Mae-Yong924-1的形态

 

（2） 噬藻体Mae-Yong924-1的宿主范围

在宿主范围实验中，14株用于宿主感染实验的蓝藻菌株中有6株出现裂解现象（表1）。能被Mae-Yong924-1裂解的蓝藻菌株色球藻目（Chroococcales）的铜绿微囊藻（Microcystis aeruginosa）FACHB-924、华美微囊藻（Microcystis elabens）FACHB-916和微囊藻（Microcystis sp.）PCC 7806、念珠藻目（Nostocales）的念珠藻（Nostoc sp.）FACHB-596、水华束丝藻（Aphanizomenon flos-aquae）FACHB-1209和颤藻目（Oscillatoriales）的拉氏拟浮丝藻（Planktothricoides raciborskii）FACHB-881（表1）。

结果表明，微囊藻噬藻体Mae-Yong924-1具有跨分类目（色球藻目、念珠藻目和颤藻目）裂解蓝藻菌株的能力。较宽的宿主范围可能有利于应用，因为蓝藻水华通常是由多种蓝藻引起的。尽管大多数分离的和研究充分的噬菌体具有狭窄的宿主范围，但最近发现了越来越多的宽宿主范围的噬菌体。在六株易感的蓝藻中，Mae-Yong924-1对华美微囊藻FACHB-916的裂解是最有效的，可以在1-3天内完全裂解处于对数生长期的FACHB-916。显微镜观察表明，变黄实验组中完整的蓝细菌细胞数量明显少于对照组（图3）。

 

 

 图3 Mae-Yong924-1感染FACHB-916的宏观和微观照片（A）正常培养的FACHB-916的宏观图;（B）与噬藻体 Mae-Yong924-1共培养的FACHB-916的宏观图;（C）正常培养的FACHB-916在显微镜下的照片;（D）与噬藻体Mae-Yong924-1共培养的FACHB-916在显微下的照片

 

（3） 噬藻体Mae-Yong924-1基因组的注释结果

通过在线软件RAST、BLASTp、Hmmer和 HHIpred对Mae-Yong924-1进行开放阅读框（ORFs）的预测及初步注释。Mae-Yong924-1含有59个ORFs，编码长度为37-1011个氨基酸残基不等。序列比较表明，在59个预测的ORFs中，只有42个（71%）在当前数据库中有同源物，只有12个（20%）可以进行功能注释。其余的ORFs与数据库中的蛋白质没有序列相似性。59个预测的ORFs可分为5个功能组：裂解（1个ORF）、包装（2个ORFs）、结构（2个ORFs）、调控和复制（7个ORFs）和假设蛋白（47个ORFs）（图4）。

在微囊藻噬藻体Mae-Yong924-1的12个注释的ORFs中，预测有7个编码参与调节和复制的推定蛋白质，包括调节蛋白（ORF 3）、含有核苷酸修饰相关结构域5的蛋白质（ORF 5）、DNA胞喀啶甲基转移酶（ORF 10）、DNA引物酶-解旋酶（ORF 14）、DNA修复蛋白（ORF 25）、多磷酸激酶（ORF 44）和蛋白酶4 （ORF 37）。微囊藻噬藻体Mae-Yong924-1的两个ORFs被预测编码推定的末端酶小亚基（ORF 45）和末端酶大亚基（ORF 47）,它们参与双链DNA包装成病毒前壳体。

 

 

图4 Mae-Yong924-1的基因组图谱

 

（4） 噬藻体Mae-Yong924-1的进化关系分析

使用 BLASTN 工具将 Mae-Yong924-1基因组与公共数据库中所有序列比对， 结果表明未发现与噬藻体Mae-Yong924-1有显著相似性的物种，这证明了Mae-Yong924-1与当前数据库中其他噬菌体之间具有极低的相似性。为了进一步估计Mae-Yong924-1和当前（2021年8月10日）公共数据库中其他噬菌体之间的核苷酸序列相似性，通过the Pairwise Sequence Comparison（PASC）分类工具 （https://www.ncbi.nlm.nih.gov/sutils/pasc/viridty.cgi）比较Mae-Yong924-1与其他噬菌体的相似性，结果显示Mae-Yong924-1与 PASC中具有最高的核苷酸序列相似性的噬菌体的相似性只有11.94%，该值远低于定义一个属的>50%界限。PASC结果表明Mae-Yong924-1属于一个未知的新属。

为了全面了解Mae-Yong924-1在噬藻体中的进化位置，选取10株噬藻体的全基因组序列（其中包括5株微囊藻噬藻体）、有尾目（Caudovirales）下的14个科中具有代表性的43株噬菌体（这是最新的分类ICTV）以及疱疹病毒目（Herpesvirales）下的3株疱疹病毒，利用软件VIP tree，基于全基因组构建蛋白组进化树。在进化树中，Mae-Yong924-1单独形成一个根节点，与有尾目的其他噬菌体之间的进化距离较远（图5）。Mae-Yong924-1可能代表一个新的分类科。 

 

 

图5 基于全基因组的蛋白组树

 

总结及展望  

基于形态学和序列特征，我们认为微囊藻噬藻体Mae-Yong924-1可能代表一个新的分类科。Mae-Yong924-1的分离是一个令人兴奋的发现，因为它基因组的独特性和跨分类单元感染的能力。近年来，蓝藻水华的频频暴发给淡水和海水水体造成了严重的生态问题，危害水体生物的生命健康，也威胁到人类食用产品的安全。噬藻体可以特异性地侵染蓝藻，对蓝藻防治具有很大的潜力，并且具有生物安全性和环境友好性，有必要对噬藻体的结构、分子生物学特性和侵染宿主的机制进行全面深入的研究。目前对于噬藻体的研究也大多集中于海洋噬藻体，对淡水噬藻体的研究少之又少。因此，对不同种类淡水噬藻体的分离和鉴定，以及后续对其基因组、三维结构、与宿主互作等的研究都具有重要的前景，并且也有利于将其应用于淡水蓝藻水华的防治。

研究团队及项目支持

本研究由宁波大学海洋学院海洋生物病毒重点实验室开展，由硕士研究生钱敏桦、博士研究生林威等人共同完成。李登峰副研究员和童贻刚教授为共同通讯作者。相关研究结果在Viruses杂志上发表（https: // doi.org/10.3390/v14020283）。

项目得到国家重点研发计划项目(水华蓝藻合成微生物控制系统构建与应用，项目编号2018YFA0903000)，国家海洋局海洋生物遗传资源重点实验室开放基金会(HY201602) 以及宁波大学的 K. C. Wong Magna基金会等项目的资助。

本文转载自国家水生生物种质库淡水藻种库微信公众号