巢湖水華藍(lán)藻的天敵取得研究進(jìn)展

水處理網(wǎng)訊:藍(lán)藻是地球上最古老的生物之一，能夠進(jìn)行光合作用進(jìn)而參與調(diào)控生物圈的碳氮循環(huán)。然而，在富營(yíng)養(yǎng)化的水體中，藍(lán)藻的過度繁殖導(dǎo)致水華，帶來嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)問題。在中國(guó)的第五大淡水湖—巢湖中，每年都發(fā)生嚴(yán)重的水華污染，目前仍然沒有行之有效的方法來控制巢湖藍(lán)藻水華的爆發(fā)。噬藻體是一種特異性侵染藍(lán)藻的病毒，能夠調(diào)控藍(lán)藻的種群密度和季節(jié)分布，被認(rèn)為是一種潛在的有效干預(yù)藍(lán)藻水華的生物手段。目前為止關(guān)于淡水噬藻體的研究幾乎處于空白狀態(tài)。

為了研究巢湖噬藻體的生態(tài)分布、侵染機(jī)制和與藍(lán)藻的共進(jìn)化關(guān)系，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)微尺度物質(zhì)科學(xué)國(guó)家研究中心和生命科學(xué)學(xué)院周叢照教授和陳宇星教授團(tuán)隊(duì)通過長(zhǎng)期的努力，從巢湖中分離得到了一株全新的長(zhǎng)尾噬藻體Mic1，能夠特異性侵染巢湖水華的優(yōu)勢(shì)藻種微囊藻。該研究成果以“Capsid structure of a freshwater cyanophage siphoviridae Mic1”為題于2019年7月30日在線發(fā)表于《Structure》雜志。該研究闡明了噬藻體的組裝機(jī)制，為后續(xù)噬藻體的改造和人工合成，并應(yīng)用于藍(lán)藻水華的干預(yù)提供了理論指導(dǎo)。冷凍電鏡數(shù)據(jù)收集工作在中科院生物物理所生物成像中心完成。該研究得到了科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金委和中國(guó)科學(xué)院的資助。

藍(lán)藻優(yōu)勢(shì)種的生長(zhǎng)和波動(dòng)除了受到環(huán)境中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和食草動(dòng)物的捕食以外，主要受相應(yīng)的噬藻體控制。噬菌體不僅在細(xì)胞裂解，生化循環(huán)和水平基因轉(zhuǎn)移過程中發(fā)揮作用，而且還控制細(xì)菌的群落結(jié)構(gòu)和功能。此外，噬藻體有助于養(yǎng)分循環(huán)和微生態(tài)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)，迄今為止鑒定的噬藻體都是特異性感染窄譜的藍(lán)藻物種，因此可用作控制藍(lán)藻群落的環(huán)境友好型生物制劑，決定宿主的季節(jié)性演替。在過去的幾十年中，大部分的噬藻體研究都集中在海洋系統(tǒng)上，導(dǎo)致鑒定了大量的海洋噬藍(lán)藻的組成。相比之下，盡管在1963年報(bào)道了第一個(gè)感染絲狀藍(lán)藻細(xì)菌的淡水噬藻體LPP-1，但對(duì)淡水噬藍(lán)（綠）藻體的研究卻很少。因此，進(jìn)行更多的研究以更好地了解淡水噬藻體及其在藻華控制中的潛在應(yīng)用。

本課題對(duì)巢湖藍(lán)藻的分布、形態(tài)及數(shù)量進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。在巢湖的不同地點(diǎn)采集了3升水樣，采用濃縮水樣對(duì)12株藍(lán)藻噬菌種進(jìn)行篩選(表S1)。經(jīng)過大量的消光稀釋試驗(yàn)，周叢照教授團(tuán)隊(duì)最終發(fā)現(xiàn)，白石田河入湖口采集的水樣可以感染M.wesenbergii菌株FACHB1318和FACHB1339（位置：31°31′47.5″N，117°23′55.3″E）。

選擇一個(gè)M. wesenbergii菌斑接種到液體培養(yǎng)基中生長(zhǎng)的藍(lán)藻中。培養(yǎng)20 h后培養(yǎng)基變得清晰，表明分離的噬藍(lán)體在宿主體內(nèi)可以擴(kuò)增，并以成熟的形態(tài)釋放到培養(yǎng)基中。受噬藍(lán)體感染的M. wesenbergii細(xì)胞的超薄切片清晰顯示數(shù)百個(gè)噬菌體顆粒(圖1A)，進(jìn)一步證實(shí)了M. wesenbergii中噬藍(lán)體的擴(kuò)增和組裝;因此，周教授團(tuán)隊(duì)稱之為Mic1。為了進(jìn)一步闡明這種噬藍(lán)體的生理特性，用一步生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)測(cè)量了其生長(zhǎng)曲線。這表明 Mic1 有約12 h的潛伏期，在隨后的4小時(shí)內(nèi)迅速增殖，并且最終在M. wesenbergii FACHB1339的每個(gè)宿主細(xì)胞中約復(fù)制450倍（圖1B）。相比之下，從M. wesenbergii FACHB1318的每個(gè)細(xì)胞僅釋放170個(gè)Mic1顆粒（圖S1），表明菌株FACHB1339在擴(kuò)增Mic1方面具有更高的效率。因此，應(yīng)用M. wesenbergii FACHB1339的藍(lán)細(xì)菌宿主細(xì)胞擴(kuò)增噬藻體Mic1。

(A)未感染(左側(cè))和mic1感染(右側(cè))的wesenbergii細(xì)胞超薄切片。噬菌體顆粒用白色箭頭表示。

(B)感染宿主細(xì)胞M. wesenbergii FACHB1339的Mic1一步生長(zhǎng)曲線。數(shù)據(jù)表示為三次獨(dú)立試驗(yàn)的平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差。

(C)純化后的Mic1顆粒負(fù)染色電鏡圖像。參見圖S1和表S1。

Mic1，能夠特異性侵染巢湖水華的優(yōu)勢(shì)藻種微囊藻。Mic1的頭部尺寸約為88納米，尾部長(zhǎng)度約為400納米。研究人員通過冷凍電鏡技術(shù)解析了Mic1頭部近原子分辨率結(jié)構(gòu)，是第一個(gè)淡水噬藻體的三維結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)清晰的闡釋了Mic1的頭部組裝機(jī)制。結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)Mic1的頭部由衣殼蛋白gp40和裝飾蛋白gp47組裝形成二十面體結(jié)構(gòu)。gp40采取經(jīng)典的噬菌體的HK97-like折疊模式，形成五聚體和六聚體，通過榫卯結(jié)構(gòu)進(jìn)一步組裝形成二十面體頭部。裝飾蛋白gp47采用全新的折疊模式，錨定在二十面體的二次軸附近，進(jìn)一步加固頭部的穩(wěn)定性。

(A)主要衣殼蛋白gp40(灰色)具有類似hk97的折疊。

(B)將gp40亞基組織成五邊形(黃色)和六邊形(青色)來啟動(dòng)衣殼組裝。

(C)相鄰的殼聚糖通過雙層界面和延伸的N臂以榫接形式相互鎖接，形成衣殼的組裝核心。

(D)二聚體蛋白gp47在雙折疊位點(diǎn)的聚集進(jìn)一步增強(qiáng)衣殼穩(wěn)定性，從而完成衣殼組裝。gp40和gp47蛋白以表面模式顯示。

討論

周教授團(tuán)隊(duì)研究結(jié)構(gòu)中的gp47蛋白采用了一種不同于所有已知結(jié)構(gòu)蛋白的新型折疊結(jié)構(gòu)。編碼這種新型蛋白的基因可能很早就從宿主藍(lán)藻細(xì)菌中獲得，很可能是由于共同進(jìn)化和基因轉(zhuǎn)移導(dǎo)致的。Mic1的結(jié)構(gòu)揭示了一種獨(dú)特的衣殼亞基組裝模式，這在其他已知結(jié)構(gòu)的噬菌體中是沒有觀察到的。衣殼通過非共價(jià)相互作用組裝而成，但結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定，保持了DNA封裝的高內(nèi)壓。綜上所述，周叢照教授與陳宇星教授團(tuán)隊(duì)展示了一種淡水噬藻體的低溫電鏡結(jié)構(gòu)，這種噬藻體能特異感染中國(guó)南方湖泊藻類的優(yōu)勢(shì)物種——微囊藻。他們的研究結(jié)果為研究藍(lán)藻與相應(yīng)的噬藻體的識(shí)別和共同進(jìn)化提供了一個(gè)平臺(tái)。然而，為了更好地了解宿主-噬藻體的相互作用及其在控制藻華中的應(yīng)用，還需要進(jìn)一步研究它們的生理功能和識(shí)別更多的噬藻體。

原標(biāo)題:巢湖水華藍(lán)藻的天敵取得研究進(jìn)展