噬菌体裂解海洋细菌释放维生素B12促进硅藻生长的机制研究

为解决海洋中维生素B12（B12）供需失衡的生态学难题，研究人员针对B12保留型细菌Sulfitobacter sp. M39开展噬菌体介导的细胞裂解研究。通过分离特异性噬菌体并构建细菌-硅藻共培养体系，首次证实噬菌体裂解可释放B12并促进硅藻Thalassiosira pseudonana生长，揭示了病毒在海洋B族维生素循环中的关键调控作用。

　　

在广袤的海洋中，维生素B₁₂（cobalamin）作为参与核酸合成和氨基酸代谢的关键辅因子，其生物利用度深刻影响着海洋微生物群落的组成与功能。然而自然界中存在一个奇特矛盾：尽管超过50%的海洋微藻需要外源B₁₂，但仅约25%的海洋细菌具备完整的B₁₂合成能力。更令人困惑的是，部分B₁₂合成菌（如Roseobacter类群的Sulfitobacter sp. M39）被鉴定为"B₁₂保留者"，即使与依赖B₁₂的硅藻共培养时也拒绝主动释放这种必需营养素。这种供需矛盾引出一个核心科学问题：在缺乏主动分泌机制的情况下，海洋生态系统如何维持B₁₂的循环？

为解答这个问题，德国奥尔登堡大学Gerrit Wienhausen团队在《ISME Communications》发表的研究，创新性地将目光投向海洋中最丰富的生物实体——噬菌体。研究者假设：噬菌体介导的细菌裂解可能是被动释放B₁₂的关键途径。通过从北海分离特异性感染Sulfitobacter sp. M39的噬菌体（M39和M39B），结合细菌-硅藻共培养实验，首次证实病毒裂解确实能打破细菌的B₁₂保留屏障，促进硅藻生长。这项研究不仅为海洋维生素循环提供了新机制解释，更揭示了病毒在调控微生物互作网络中的非传统角色。

关键技术方法包括：1）从北海沿岸水体分离纯化宿主特异性噬菌体，通过透射电镜和基因组测序鉴定为Caudoviricetes类群；2）建立Sulfitobacter sp. M39单培养及与硅藻T. pseudonana的共培养体系，监测生长动态和病毒颗粒增殖；3）采用液相色谱-质谱（LC-MS）定量胞外B₁₂浓度；4）通过流式细胞术计数细菌（BCC）和病毒样颗粒（VLP），计算VLP/BCC比值评估裂解效率。

噬菌体分离与特性鉴定

研究团队从北海沿岸分离到两株新型噬菌体M39和M39B，基因组分析显示它们均含双链DNA，属于具有直接末端重复序列（DTRs）的Caudoviricetes类群。其中M39噬菌体（49,844-bp）呈现典型裂解特性，编码水解酶和肽酶M15超家族蛋白，这些蛋白可降解细菌细胞壁肽聚糖层。电镜图像清晰显示噬菌体具有二十面体头部和收缩性尾部结构，荧光显微镜观察到感染后细菌细胞破裂现象。

噬菌体裂解促进B₁₂释放

在Sulfitobacter sp. M39单培养实验中，噬菌体添加8小时后VLP/BCC比值从0.3飙升至8.1，伴随细菌生长停滞和培养液浊度下降。LC-MS检测显示裂解液中存在10.4±0.8 pM的胞外B₁₂，而对照组未检出。有趣的是，即使对B₁₂原养型细菌，实验证实Sulfitobacter sp. M39仍会吸收环境中54.4%的外源B₁₂，其基因组中存在的btuD基因（B₁₂转运蛋白编码基因）支持这一发现。

共培养体系中硅藻生长响应

在T. pseudonana与Sulfitobacter sp. M39共培养系统中，噬菌体添加4天后，硅藻相对荧光值（RF）从<300激增至2673±199，生长速率显著高于未处理组（后者延迟至第17天才开始缓慢生长）。VLP/BCC比值变化与硅藻生长曲线高度吻合，证实病毒裂解与营养释放的因果关系。值得注意的是，未处理组硅藻最终仍能微弱生长，暗示自然细菌死亡也可能少量释放B₁₂，但效率远低于噬菌体裂解。

讨论与意义

该研究首次将"病毒分流"（viral shunt）概念拓展至维生素循环领域，量化证实噬菌体裂解每天可转化约20-40%的海洋细菌生物量，这些裂解产物包含的B₁₂可能形成局部营养热点。研究还修正了传统认知：即使B₁₂原养型细菌也可能通过吸收环境中的B₁₂来节省合成成本，这使得海洋B₁₂供需网络比预想的更复杂。

从生态学视角看，这项工作揭示了病毒-细菌-微藻三方互作的新范式：噬菌体通过裂解"自私"的B₁₂保留者，间接支持光养微生物生长，而后者产生的有机物又可能促进细菌宿主增殖，形成独特的正反馈循环。这种机制或可解释海洋中观察到的浮游生物群落更替现象，也为理解微生物代谢依赖性的进化提供了新思路。鉴于海洋中病毒丰度达10¹⁰/升，该研究提示病毒介导的代谢物释放可能是全球海洋生物地球化学循环中被长期忽视的关键环节。