海洋Citromicrobium中前噬菌体的多样性、活性及其与宿主的互作机制研究

本研究针对海洋生态系统中前噬菌体（prophage）如何影响宿主细菌动态这一科学问题，通过建立海洋Citromicrobium菌株模型系统，揭示了58%菌株携带31种前噬菌体，可分为φA-φE五个新属。研究发现前噬菌体编码基因占宿主附属基因组的9%，显著增加了宿主菌株的微多样性；通过宏基因组丰度相关性间接验证了"搭便车胜者"（PtW）模型；证实前噬菌体通过自发诱导和丝裂霉素C触发展现高裂解活性，并采用"杀死亲属"与"殖民亲属"双重策略。该成果发表于《ISME Communications》，为理解海洋细菌适应性进化提供了新视角。

　　

在浩瀚的海洋中，数量庞大的噬菌体与微生物之间持续上演着复杂的生存博弈。作为海洋中最丰富的生物实体，噬菌体数量超过原核生物约一个数量级，它们通过裂解感染导致20%-40%的海洋细菌每日死亡率，并作为水平基因转移（HGT）的重要媒介，构成了海洋环境中最大的未开发遗传多样性库。然而，与裂解性噬菌体相比，能够以溶原状态（lysogeny）稳定存在于宿主染色体中的温和噬菌体（temperate phage）研究相对滞后。尽管已有共识表明约50%海洋细菌携带前噬菌体，但这些"分子定时炸弹"如何塑造宿主种群动态仍知之甚少。

这项以海洋光合异养菌Citromicrobium为模型的研究，通过整合基因组学、宏基因组学和实验手段，系统揭示了前噬菌体在宿主适应性和进化中的关键作用。研究人员收集了来自全球不同海域的32株C. bathyomarinum和6株Citromicrobium spp.，采用Illumina MiSeq和PacBio RS II平台进行基因组测序，结合PHAST、CheckV等生物信息学工具鉴定前噬菌体。通过vConTACT2构建蛋白相似性网络进行聚类分析，利用透射电镜观察噬菌体形态，采用丝裂霉素C诱导实验评估前噬菌体活性，并基于Tara Oceans宏基因组数据解析丰度相关性。

研究首先发现前噬菌体显著塑造了细菌微多样性。在ANI≥99.5%的克隆群中，观察到的遗传变异有75%与前噬菌体相关基因组岛有关。31个鉴定出的前噬菌体（长度35,339-41,025 bp）可分为φA-φE五个新属，其中φA、φB和φC具有Mu样结构，表现出转座酶介导的转座特性；而φD和φE则采用整合酶介导的位点特异性重组。宏基因组分析显示φA2、φA4和φE的丰度与宿主丰度呈显著亚线性增长关系，病毒/宿主比率（VHR）与宿主丰度呈负相关，间接支持了"搭便车胜者"（PtW）模型。

实验证实前噬菌体采用"杀死亲属"与"殖民亲属"的双重策略。交叉感染实验显示前噬菌体对其溶原菌具有超感染免疫（superinfection immunity），但可裂解遗传背景相似的非溶原菌。以φA3为例，它能裂解JL1366和MCCC1A09357，但对亲本宿主JL2201无活性。研究还发现前噬菌体携带数量与噬菌体抗性广度呈正相关：与单溶原菌相比，同时携带φA3和φB5的双溶原菌增加了对φA2的抗性。

特别值得注意的是，在双溶原菌中Mu样前噬菌体表现出明显的竞争优势。测序数据显示，从MCCC1A10434（φA1/φD3）和JL1455（φC/φE）诱导的噬菌体颗粒中，Mu样成员（φA1和φC）的相对丰度分别达到63.1%和98.6%。通过分析Mu样噬菌体包装的5'侧翼序列，研究人员量化了转座靶向偏好（TTP），发现Mu样噬菌体倾向于靶向竞争性非Mu样前噬菌体和细菌假设基因，而避免攻击自身区域和宿主能量代谢相关基因。这种选择性靶向策略可能与其裂解周期中需要宿主代谢支持有关。

该研究建立了前噬菌体作为海洋细菌适应性进化关键驱动者的理论框架，揭示了Mu样噬菌体独特的种内竞争机制，为理解海洋微生物组生态和进化提供了新视角。发现的多溶原性（polylysogeny）现象和噬菌体抗性叠加效应，对认识海洋微生物抗噬菌体防御系统的协同进化具有重要启示。特别是提出的转座靶向偏好模型，为后续研究噬菌体-宿主共进化机制提供了新的研究方向。这些发现不仅丰富了海洋病毒生态学理论，也为利用噬菌体调控微生物群落提供了潜在策略。