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为探究南极微生物多样性，解决难培养微生物及相关噬菌体研究匮乏的问题，研究人员开展了从南极土壤中分离和表征新型可培养噬菌体 - 宿主对的研究。结果分离出 Psychrobacillus 噬菌体 Spoks 及其宿主菌株 L3，二者基因组独特。该研究拓展了对南极微生物的认知，推动了微生物分类学发展1324。
在地球上，微生物的多样性超乎想象，但许多微生物仍未被培养出来，尤其是在那些环境极端、难以涉足的地区，比如南极洲。南极洲被厚厚的冰层覆盖，这里的环境十分独特，与外界相对隔绝，被认为蕴含着大量尚未被发现的微生物。在噬菌体研究领域，虽然噬菌体被认为是地球上数量最为庞大的生物实体，但大部分细菌属所对应的噬菌体，尤其是那些感染特定细菌的噬菌体，其研究仍非常有限。对于 Psychrobacillus 属细菌，人们对其了解甚少，与之相关的噬菌体研究更是稀缺。在这样的背景下，为了探索南极微生物的奥秘，发现更多新型的微生物和噬菌体，来自拉脱维亚生物医学研究与学习中心（Latvian Biomedical Research and Study Centre）和拉脱维亚大学极地研究中心（Polar Research Center, Faculty of Science and Technology, University of Latvia）的研究人员，开展了一项从南极土壤中分离和表征新型可培养噬菌体 - 宿主对的研究
24。
研究人员通过一系列实验，成功从南极土壤中分离出 Psychrobacillus 噬菌体 Spoks 及其宿主菌株 L3，并对它们进行了全面的基因组测序和特征分析。研究发现，菌株 L3 是 Psychrobacillus 属的代表，具有嗜冷特性，能在 4 - 30°C 的环境中生长。其基因组包含一个 3,937,500bp 的环状染色体以及两个较小的环状复制子，平均 GC 含量为 35.92%89。
噬菌体 Spoks 的病毒粒子呈现典型的长尾噬菌体（siphophage）特征，其基因组为线性双链 DNA，长度达 36,472bp，GC 含量为 35.83%，两端具有 11 个碱基的 3’粘性末端（cos overhangs）。通过对 Spoks 基因组的功能注释，研究人员发现它编码 52 种蛋白质，其中部分蛋白质的功能涉及病毒粒子形态发生、核酸代谢、转录调控等141718。
在进化关系研究方面，研究人员通过系统发育分析发现，菌株 L3 与 Psychrobacillus glaciei 的亲缘关系较近，但在基因组水平上仍存在显著差异。噬菌体 Spoks 在核苷酸序列上与其他已知噬菌体高度不同，其最相似的序列匹配也仅有较低的覆盖度和同一性，这表明 Spoks 可能代表了一个新的噬菌体属和种1519。
关于噬菌体 Spoks 与宿主的相互作用，研究表明 Spoks 能够位点特异性地整合到宿主菌株 L3 的染色体上，整合位点位于编码 DNA 拓扑异构酶 III 和 BlaI/MecI/CopY 家族转录调节因子的基因之间。此外，Spoks 的溶原状态并不稳定，会发生自发诱导，而且添加丝裂霉素 C（Mitomycin C，MMC）可以增强这种诱导，导致宿主细胞死亡2123。
该研究成果发表在《BMC Genomics》杂志上，具有重要的意义。它不仅丰富了人们对南极微生物多样性的认识，还为微生物分类学的发展提供了新的依据。同时，对噬菌体 - 宿主相互作用的深入了解，有助于揭示微生物在极端环境中的生存策略和进化机制24。
研究人员在此次研究中用到了多种关键技术方法。首先是土壤采样与微生物分离技术，从南极半岛采集土壤样本，通过特定的培养基和培养条件分离出细菌和噬菌体。其次是基因组测序技术，运用 Illumina MiSeq 平台进行短读长测序，以及 Oxford nanopore 技术进行长读长测序，获取细菌和噬菌体的基因组信息。此外，还利用了生物信息学分析工具，如 SPAdes、Glimmer、GeneMark 等，对测序数据进行组装、注释和分析567。
下面详细介绍研究结果：
- 菌株 L3 的分离与生理特征：从南极无冰土壤样本中分离出菌株 L3，它能在 4 - 30°C 生长，在 37°C 则无生长迹象。通过透射电子显微镜观察到 L3 细胞呈杆状，带有菌毛或鞭毛。对其进行代谢活性测试发现，L3 能在 pH 6、1% NaCl 的环境中生长，对萘啶酸和氨曲南有耐受性，在利用某些碳源方面表现出不同程度的能力1011。
- Psychrobacillus sp. L3 基因组的完整组装及其特征：采用 Illumina 短读长和 ONT 长读长相结合的混合从头组装方法，成功组装出 L3 的完整基因组序列。其基因组包含一个环形染色体和两个较小的环形复制子，同时还组装出噬菌体 Spoks 的基因组。基因组注释显示，L3 共有 3,991 个基因，其中大部分为蛋白质编码基因1213。
- Psychrobacillus sp. L3 在其他 Psychrobacillus 属物种中的地位：通过系统发育分析发现，L3 与同一实验室分离的 L4 以及 Psychrobacillus glaciei 的模式菌株 PB01 关系最为密切，但在基因组水平上仍存在差异，这表明 L3 可能代表一个新的细菌物种1516。
- 噬菌体 Spoks 的病毒粒子形态：透射电子显微镜观察显示，噬菌体 Spoks 病毒粒子具有二十面体的衣壳和长的非收缩性尾部，呈现典型的长尾噬菌体特征1420。
- 噬菌体 Spoks 的基因组特征：Spoks 基因组为线性双链 DNA，具有特定的 GC 含量和粘性末端。基因组编码 52 种蛋白质，部分蛋白质功能已知，部分功能未知。通过与其他噬菌体的比较分析，发现 Spoks 在基因组序列和蛋白质组成上具有独特性1718。
- 噬菌体 Spoks 在已知噬菌体多样性中的地位：通过序列比对发现，Spoks 的核苷酸序列与其他已知噬菌体高度不同，在已培养的噬菌体中难以找到与之密切相关的同源物，这进一步支持了 Spoks 可能代表新的噬菌体属和种的观点1922。
- 噬菌体 Spoks 作为 Psychrobacillus sp. L3 的原噬菌体：研究证实 Spoks 能够整合到宿主 L3 的染色体上，并在一定条件下自发切除进入裂解周期。通过实验验证了 Spoks 的整合位点和不同的附着位点构象，同时发现添加 MMC 可以诱导 Spoks 的产生，导致宿主细胞生长受到抑制2123。
研究结论和讨论部分指出，该研究成功分离并表征了来自南极土壤的细菌 - 噬菌体对，即 Psychrobacillus sp. isolate L3 和噬菌体 Spoks。它们的基因组显示出与现有已培养的亲缘物种的显著差异，这为细菌和噬菌体的分类学扩展提供了依据。噬菌体 Spoks 以位点特异性的方式整合到 L3 的染色体上，且 L3 的溶原转换不稳定，自发诱导较为常见。MMC 的应用加剧了诱导，甚至导致含有 Spoks 原噬菌体的 Psychrobacillus sp. L3 细胞群体死亡。这一研究成果极大地扩展了人们对于与南极环境相关的可培养细菌和噬菌体多样性的认识，为后续深入研究微生物在极端环境中的生态、进化和相互作用奠定了坚实的基础，也为相关领域的进一步探索提供了新的方向和思路24。
