太湖噬藻体多样性及其与蓝藻种群演替的关系：基于噬藻体辅助代谢基因资源研究

Cyanophages have been considered as an important component of natural aquatic microbial communities, and are of great ecological significance due to controlling the formation and termination of cyanobacterial blooms as a lytic agent of cyanobacteria. In this project, based on a metagenomic sequence library constructed from Taihu Lake virioplankton, bioinformatics tools and molecular biotechnology are applied to assess the possible presence and biological functions of auxiliary metabolic genes (genes with putative functions in host metabolism) carried by cyanophage genomes from an eutrophic shallow lake; the identified auxiliary metabolic genes are used as biomarkers to reveal cyanophage population dynamics, space-time distribution and genetic diversities; and based on quantitative analysis, multiple regression method is applied to analyze the change relationships between cyanophage and cyanobacterial population strcutures, and the correlations between cyanophage populations and environmental factors. The purpose of this study is to elucidate population composition and genetic diversities of cyanophages in an eutrophic shallow lake, and to explore the ecological impacts of cyanophages on population succession and physiobiochemical activities of bloom-forming cyanobacteria, which provide theoretical foundations for exploiting cyanophages and their functional genes to control cyanobacterial blooms and protect freshwater resource.

噬藻体被视为水体微生物群落的重要组成部分，其作为蓝藻特异性裂解因子，在蓝藻水华的形成与消亡过程中具有重要的生态学意义。本项目拟构建太湖浮游病毒基因组序列文库，应用生物信息学与分子生物学等技术，探明富营养化浅水湖泊中可能存在的噬藻体辅助代谢基因（与宿主代谢相关的功能基因）及其生物学功能；以鉴定的辅助代谢基因作为噬藻体的检测标记，针对天然环境中噬藻体的种群动态、时空分布及遗传多样性进行研究；在相关定量分析的基础上，运用多元回归方法分析噬藻体与蓝藻的种群结构变化关系，及其与环境因素之间的相关性。本研究将系统性解析富营养化浅水湖泊噬藻体的种群结构与多样性，探讨噬藻体对水华蓝藻种群结构演替及生理生化特性的生态影响，为开发噬藻体及其功能基因资源用于防控蓝藻水华和保护淡水资源提供理论依据。

噬藻体是浸染并裂解蓝藻的病毒，与其宿主相互作用可调节水华蓝藻种群结构与密度。了解水环境中噬藻体种群结构与多样性及其与蓝藻种群之间的相互关系，对于开发噬藻体及其基因资源用于防控有害蓝藻水华与保护淡水资源具有重要意义。在国家自然科学青年基金（N0.31200019）的资助下，我们采用高通量DNA测序技术构建了太湖浮游病毒宏基因组数据库，获得了太湖浮游病毒种群结构。在鉴定噬藻体辅助代谢基因中，我们选择藻胆体降解蛋白与卡尔文循环调控蛋白作为研究对象，对它们的生物学功能进行了初步研究。..主要研究结果.(1) 利用高通量测序平台对太湖浮游病毒进行大规模测序，经过后期序列修剪、拼接、过滤处理后，获得了太湖梅梁湾，东太湖，湖心等三个病毒宏基因组数据，它们数据量分别为29.15Mb, 15.60Mb, 5.29Mb，contig序列平均长度在150~200bp之间。NCBI数据库比对结果显示，三个数据库均小于10%的contig序列能够与已知序列匹配。根据比对的最高相似程度，大多数序列与细菌同源性较高，随后是噬菌体与真核病毒，真核细菌、古细菌相似性最低。.(2) 根据序列最高相似度归类，太湖病毒主要分布于25个病毒科，其中包括19个双链DNA病毒科，4个单链DNA病毒科，两个单链RNA病毒科与1个双链RNA病毒科。双链DNA病毒是太湖三个湖区主要的病毒类群，其中超过90%的病毒序列与感染微囊藻、聚球藻及原绿球藻噬藻体，以及感染原核细菌假单胞菌、沙门氏菌，肠道细菌及弧菌的噬菌体密切相关。单链DNA病毒是太湖另一重要DNA病毒类群，它们的成员主要归属Circoviridae, Inoviridae, Parvovirinae, Microviridae等病毒科，特别是与Microviridae有关的病毒序列与已知病毒序列具有很高的相似性。.(3) 在太湖病毒宏基因组中，我们鉴定了一系列源于宿主且具有特殊代谢功能的基因，如参与宿主DNA生物合成、光合作用、磷元素摄取等有关基因序列，这表明编码辅助代谢基因的噬藻体普遍存在于各种天然水生态系统中。其中我们特别感兴趣的基因如藻胆体降解蛋白(NblA)与卡尔文循环调控蛋白（CP12），并根据它们同源蛋白在蓝藻细胞内的功能进行了噬藻体同源基因的生物学功能鉴定。

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