单细胞与群体形态下微囊藻的差异化病毒侵染策略揭示“黑皇后”动力学下的噬菌体生活方式转换

《The ISME Journal》：Contrasting viral infection strategies for single cell and colonial Microcystis populations consistent with Black Queen dynamics

本研究针对有害水华优势种微囊藻（Microcystis）在单细胞与群体形态下其宿主-病毒互作策略不清的问题，通过宏转录组学分析太湖蓝藻水华样本，揭示了群体微囊藻通过形成局部高密度环境，更倾向于选择溶原性感染（lysogeny），而单细胞则更多遭受裂解性感染（lytic infection）。该模式符合“黑皇后”（Black Queen）动力学假说，即微囊藻在群体中承担核心代谢与防御功能，其相关微生物转录活性降低。研究为理解蓝藻水华维持机制及病毒在调控群落结构中的关键作用提供了新视角，对水华预测与控制具有重要意义。

　　

在淡水生态系统中，蓝藻水华，尤其是由微囊藻（Microcystis）主导的水华，已成为全球性的环境问题。它们不仅产生令人担忧的毒素，还破坏水生食物网，对饮用水安全和水体生态健康构成严重威胁。微囊藻的一个显著特征是能够以两种形态存在：自由游动的单细胞和包裹在粘液状基质中的密集群体。尽管群体形态被认为能帮助微囊藻抵抗环境压力、捕食者并利于浮力调控，但驱动其形成的内在机制及其对整个微生物群落，特别是与病毒（噬菌体）相互作用的深远影响，仍是一个亟待揭开的谜团。传统观点认为，高密度的水华会面临极高的病毒接触风险，从而导致群体性裂解，但现实是水华能够持续存在，这暗示着可能存在某种“休战”机制，使得微菌藻能在病毒的威胁下找到生存之道。为了探索这一复杂的生态动态，一个由中国复旦大学和美国田纳西大学诺克斯维尔分校的研究人员组成的团队在《The ISME Journal》上发表了一项研究，他们深入中国太湖的微囊藻水华现场，试图从转录活动的层面揭示单细胞与群体微囊藻在功能表达和病毒侵染策略上的根本差异。

研究人员开展此项研究的关键技术方法主要包括：于2023年夏季在太湖竺山湾四个点位采集水华期表层水样，通过20微米和0.45微米滤膜分级过滤分别富集群体和单细胞微囊藻样本，并整合了2018年同期样本数据进行验证；对样本进行总RNA提取、rRNA去除和宏转录组测序；构建了微囊藻和微囊藻噬菌体的泛基因组作为参考；利用生物信息学工具进行序列质量控制、组装、基因预测、 taxonomic 和功能注释（KEGG, COG）；通过差异表达分析（DESeq2）、NMDS排序和通路富集分析等统计方法比较不同形态样本间的转录组差异。

群体与单细胞样本的微生物组成差异

研究结果发现，群体样本和单细胞样本在微生物群落结构上存在显著差异。在门水平上，蓝藻门（Cyanobacteriota）在群体样本中占据绝对主导地位，平均相对丰度高达94.7%，而在单细胞样本中则为72.1%。在属水平上，微囊藻（Microcystis）是蓝藻门中的绝对优势菌，其在群体样本中的比例（91.7%）也显著高于单细胞样本（67.9%）。相反，其他细菌门类（如变形菌门Pseudomonadota、拟杆菌门Bacteroidota等）和真核生物（如链形植物门Streptophyta）在群体样本中的比例均显著降低。这表明群体微囊藻样本的微生物分类学多样性远低于单细胞样本，形成了一个以微囊藻为核心的、更为简化的微生物群落。

微囊藻在群体中主导转录活动

基因表达分析进一步揭示了更深层次的功能差异。基于共组装数据和微囊藻泛基因组的NMDS分析均显示，群体和单细胞样本的转录谱明显分离。差异表达（DE）分析表明，在群体样本中，微囊藻自身81.6%的差异表达基因呈现上调，而群落中其他微生物（包括非微囊藻蓝藻、其他细菌和真核生物）97.8%-99.9%的基因表达被抑制。KEGG通路富集分析显示，这些在群体中被抑制的微生物基因主要富集在辅因子、氨基酸的生物合成以及碳代谢等基础代谢通路上。与此形成鲜明对比的是，微囊藻在这些相同通路中的基因表达则更多是上调的。这种模式与“黑皇后”（Black Queen）动力学假说高度一致：在稳定的群体微环境中，微囊藻作为“核心”成员承担了主要的代谢负担，而与之共生的其他微生物则减少自身代谢投入，表现出“基因丢失”或活性降低的依赖特征，从而受益于微囊藻创造的保护性环境和代谢产物。

对微囊藻泛基因组的深入分析发现，在群体样本中表达上调的基因涉及多个可能与群体适应性相关的功能类别。例如，复制、重组和修复（COG类别L）相关的基因中，69.7%在群体中高表达，其中转座酶（transposase）相关基因尤为突出，这可能有助于微囊藻在环境压力下快速进化。此外，与群体形成和维持相关的基因，如编码PEP-CTERM蛋白（推测与胞外多糖锚定和细胞聚集有关）和气体囊（gas vesicle，调控浮力）的基因，在群体样本中也表现出更高的表达水平，这为群体形态的功能优势提供了分子证据。

微囊藻噬菌体的差异化感染策略

本研究最关键的发现在于揭示了病毒侵染策略与宿主形态的紧密关联。研究人员构建了微囊藻噬菌体泛基因组，并重点关注了在样本中占主导地位的Ma-LMM01-like噬菌体。他们通过比较裂解性感染标志基因（尾鞘蛋白基因gp091）和溶原性感染标志基因（转座酶基因gp135和位点特异性重组酶基因gp136）的表达水平，来推断噬菌体的主导生活方式。结果显示，在群体样本中，溶原性标志基因gp135和gp136的表达量显著高于裂解性标志基因gp091（gp135/gp091比值平均为1.64，gp136/gp091比值平均为2.65）。相反，在单细胞样本中，裂解性标志基因gp091的表达量则显著高于两个溶原性标志基因（gp091/gp135比值平均为3.84，gp091/gp136比值平均为3.38）。这一趋势在2018年的独立数据集中得到了完美重复和进一步强化，表明该现象在太湖微囊藻水华中具有可重复性和稳健性。

结论与意义

本研究通过宏转录组学分析，清晰地描绘了微囊藻群体形成如何重塑其生态策略：群体微囊藻不仅主导了群落的代谢活动，呈现出“黑皇后”动力学的特征，还营造了一个利于溶原性噬菌体感染的环境。研究者推测，群体形成所导致的局部高细胞密度，使得具备超感染免疫（superinfection immunity）能力的溶原体具有选择优势，因为它们可以避免被同类型噬菌体反复感染而裂解，从而在病毒频繁接触的高风险环境中幸存下来。反之，游离的单细胞微囊藻由于密度较低、缺乏集体免疫保护，则更多地暴露在裂解性病毒的威胁之下。

这项工作的重要意义在于它将微囊藻的形态分化、微生物群落互作和病毒生活方式选择这三个关键生态过程联系起来，为理解蓝藻水华的持久性提供了新颖的整合视角。研究结果表明，群体形成不仅是微囊藻抵抗非生物和生物胁迫的物理策略，更可能是其通过调控病毒侵染模式来维持种群稳定的重要生态对策。鉴于病毒裂解释放的微囊藻毒素会对水生态系统和人类健康造成直接风险，深入理解溶原态和裂解态之间的平衡机制，对于预测水华动态、评估毒素释放风险以及开发基于病毒调控的水华控制新策略具有关键指导价值。未来的研究需要通过受控实验进一步验证溶原性转换的触发机制，并阐明宿主竞争、病毒感染模式与水华持久性之间的因果关系。