纳帕海高原湿地噬菌体-细菌群落动态及对抗性共进化研究

Antagonistic coevolution is believed to cause rapid between-population differentiation, and play critical roles in population dynamics, evolution diversity and genetic recombination. Compared with the oceans and lakes, the plateau wetlands are relatively independent, in which the coevolution of bacteria-phage may be unique. Pseudomonas fluorescens W-6 and its lytic Siphoviridae bacteriophage were isolated in our preliminary study, and it is characterized by increases in infectivity and resistance through time (Arms Race Dynamics, ARD). In order to investigate the coevolution of bacteria-phage in natural Napahai plateau wetland, the bacteria and virus distribution, community structure and ecological function were analyzed by metagenome. By using a “mark-recapture” approach, we will show rapid coevolution of bacteria and phages in a soil and water community. Phage tail fiber gene and host receptor proteins were monitored using PCR. Detection the host resistance and phage infectivity. Finally, the coevolutionary dynamics would be determined by time-shift assay. Based on all data, we try to clarify the community dynamics and ecological function of phage-bacteria, and antagonistic coevolution mechanism of Pseudomonas and Siphoviridae bacteriophage. It will provide new sight to understand systematically the host and viral coevolutionary mechanism.

细菌-噬菌体对抗性共进化是物种进化的重要驱动力，在种群动力学、进化多样性和基因重组等方面扮演重要角色。与海洋、湖泊相比，高原湿地相对独立，其中细菌-噬菌体共进化途径可能比较独特，值得进一步研究。前期我们分离到一株侵染荧光假单胞菌W-6的烈性长尾噬菌体VW-6S，研究表明其共进化动力学为ARD模式。为进一步探讨自然高原湿地中噬菌体-细菌共进化，利用宏基因组分析细菌和噬菌体群落结构及生态功能；采用“标记-捕获”法原位检测W-6及噬菌体VW-6S共进化；利用PCR技术检测编码VW-6S尾丝蛋白的基因突变及宿主表面受体变化；检测不同感染时期细菌抗性及噬菌体侵染力；利用Time-Shift Assay法确定噬菌体-宿主的对抗性共进化动力学模式。基于以上数据分析，阐明噬菌体-宿主在纳帕海湿地群落动态及其生态功能，揭示长尾噬菌体-荧光假单胞菌对抗性共进化机制，将为全面系统揭示宿主与病毒共进化机制提供依据

细菌-噬菌体对抗性共进化是物种进化的重要驱动力，在种群动力学、进化多样性和基因重组等方面扮演重要角色。为探讨高原湿地中噬菌体-细菌的共进化过程，本研究利用宏基因组分析细菌和噬菌体群落结构及生态功能，发现纳帕海高原湿地共鉴定出210个门，3341个属，包括细菌域184个门，其中变形菌门丰度最高，酸杆菌门和放线菌门也属于优势菌群。纳帕海湿地水体中变形菌门和拟杆菌门明显多于土壤，土壤中酸杆菌门、放线菌门、疣微菌门、绿弯菌门、念珠菌门等则高于水体；纳帕海高原湿地水中微生物固碳途径主要以卡尔文循环和4-羟丁酸双羧酸循环为主；土壤中则主要是还原性三羧酸循环、3-羟基丙酸循环和还原性乙酰CoA通路。变形菌门、绿弯菌门和泉古菌门为主要固碳菌群。水体氮循环以固氮和异化硝酸盐还原过程为主，土壤则以反硝化和硝化过程为主，氮循环的重要过程由古菌和细菌共同维持，Proteobacteria、Nitrospirae、Verrucomicrobia、Actinobacteria、Thaumarchaeota和Euryarchaeota为氮循环的关键菌群，本项目研究结果加深了对纳帕海高原湿地元素地球化学循环过程的完整认识。采用实验室和原位检测荧光假单胞菌W-6及其长尾噬菌体VW-6S的共进化40个周期的过程，共进化早期动力学遵从FSD模式，共进化中期遵从ARD模式，共进化后期遵从FSD模式。明确了尾丝结构域蛋白是VW6S的吸附蛋白，宿主特异性蛋白是W-6的受体蛋白。初步阐明W-6通过突变宿主特异性受体蛋白，获得对VW6S的抗性，再通过降低宿主特异性蛋白的表达，进而降低每次VW6S的吸附能力。VW6S则通过与宿主特异性蛋白接触，修饰尾丝蛋白获得对宿主特异性受体蛋白的适应性，以成功识别并吸附宿主。基于转录组和qRT-PCR分析，表明噬菌体侵染宿主菌后，通过代谢重编程合成大量子代噬菌体。本项目阐明了噬菌体-宿主在纳帕海湿地群落动态及其生态功能，揭示长尾噬菌体-荧光假单胞菌对抗性共进化机制，为全面系统揭示宿主与病毒共进化机制提供依据。