噬菌体对海洋蓝细菌碳代谢途径的影响机制

The unicellular cyanobacterium Prochlorococcus is the most abundant photosynthetic organism in the oceans and is thought to be responsible for 20% of the world's photosynthesis. Prochlorococcus is actively infected by lytic bacteriophages (cyanophages) which are the most abundant viruses in the oceans. However, the molecular mechanism of how their primary production is affected by cyanophage infection is still not clear. In this project, we propose to study the expression patterns of the central carbon metabolism pathway genes of Prochlorococcus after cyanophage infection, to examine the interaction of cyanophage CP12 protein with the host Calvin cycle enzymes PRK and GAPDH, and to investigate the host carbon fixation rate and key metabolite production after cyanophage infection. The research proposed here will elucidate the molecular mechanism of microbial carbon metabolism regulated by cyanophage, and deepen our understanding of the role of viruses in carbon cycling in the marine ecosystem. Our results will improve understanding of marine microbial carbon fixation mechanism, and also provide scientific data for establishing marine microbial carbon sequestration programs to deal with global warming.

微生物在海洋中大量存在，占到海洋生物总量的90%左右，是海洋生态系统中物质循环和能量传递的主要承担者。病毒通过侵染和裂解微生物从而影响宿主的丰度、类群结构和遗传多样性，在海洋生态系统中起着不可忽视的调控作用。单细胞蓝细菌原绿球藻是全球数量最多的光合作用生物，约贡献全球光合作用的四分之一。本项目以原绿球藻及其噬菌体作为模式生物体系，拟综合运用转录组学、蛋白质组学及分子生物学技术，分析原绿球藻被侵染后其碳代谢基因的表达变化，研究噬菌体所携带的卡尔文循环抑制基因cp12的生物学功能及其调控宿主卡尔文循环的分子机制，并定量检测噬菌体侵染对原绿球藻的固碳效率和关键代谢产物合成的影响。本项目将有助于阐明病毒调节海洋微生物碳代谢的分子机理，揭示病毒在海洋碳循环中的重要作用，其研究结果将完善我们对海洋微生物参与的海洋固碳储碳机制的认识，并为利用微生物增强海洋固碳储碳应对全球变暖提供科学依据。

微生物个体虽小，但在海洋中大量存在占到海洋生物总量的90%左右，决定了海洋生态系统的物质循环和能量传递。海洋病毒的丰度是微生物丰度的5倍以上，可以通过侵染和裂解微生物而影响宿主的丰度、类群结构、遗传多样性和代谢过程，最终影响海洋生态系统的物质循环和能量传递。本项目以单细胞蓝细菌原绿球藻(Prochlorococcus)及其噬菌体为模式生物体系，研究噬菌体对海洋蓝细菌碳代谢途径的影响机制。原绿球藻是全球数量最多的光合作用生物，约贡献全球光合作用的四分之一。原绿球藻噬菌体的基因组中含有大量源于宿主的代谢基因，包括光合作用系统、光合作用电子传递、色素合成和戊糖磷酸途径。噬菌体的基因组中不包含卡尔文循环基因，却含有卡尔文循环的抑制蛋白基因cp12，因此我们推测原绿球藻噬菌体利用这些“补充代谢基因”增强被侵染宿主NADPH和ATP的合成，阻断卡尔文循环的固碳作用，并增加核糖-5-磷酸的合成以利于噬菌体自身DNA复制所需的核苷酸的合成。本项目首先比较了被噬菌体侵染前后原绿球藻转录组和蛋白组的变化情况，发现卡尔文循环基因的转录水平有所提高，但蛋白量却下降，说明噬菌体可能通过降低宿主的蛋白转录速度，从而抑制原绿球藻的卡尔文循环，这项成果为噬菌体调控原绿球藻的光合作用提供了一个全新的分子机制。本项目进而研究了噬菌体CP12蛋白的功能，确认噬菌体CP12蛋白是和原绿球藻CP12蛋白类似的卡尔文循环抑制蛋白，并且在噬菌体侵染原绿球藻后的确可以降低原绿球藻的卡尔文循环的固碳速度，并促进其戊糖磷酸途径。本项目还发展了适用于原绿球藻的超分辨显微镜技术，以便在今后的研究中继续观察噬菌体CP12蛋白在原绿球藻细胞内的位置及其结合蛋白。综上所述，本项目按计划完成了预期的研究目标，阐述了噬菌体影响原绿球藻碳循环的分子机理，为今后继续研究病毒在海洋碳循环中的作用打下了理论基础。