东北典型湿地噬菌体遗传基因多样性及分布特征研究

Bacteriophages (phages) are the viruses which infecting bacteria. Phages are the most abundant biological entities in the earth, and play important roles in regulating the succession of host communities, biological evolution and biogeochemical cycling. Recently, the researches on phage ecology in marine ecosystem going very rapidly, however, limited studies on phage ecology were conducted in terrestrial ecosystem. Although wetlands have the similar characteristics both to aquatic and terrestrial ecosystems, and are considered to be huge gene pool, however research on phage genetic diversity in wetlands is still limited. Therefore, this project, three typical kinds of wetlands, i.e. marsh, lake and coastal wetlands in Northeast China are selected, and biomarker genes of g23 which encodes the major capsid protein of T4-type phages, pol of DNA polymerase gene of T7-type phages, g20 encodes the capsid assemblage protein of cyanomyoviruses and psbA of photosynthetic gene of cyanophages in those wetlands will be analyzed by cultural-independent of molecular methods of PCR amplification-cloning-Sanger sequencing. In addition, the next generation sequencing will also be involved in this project to reveal the compositions of different biomarker genes of phages and virus metagenomics. The data obtained in this study will be compared with international known database through multiple comparative analyses to explicate the distribution patterns of phages (viruses) in wetlands. Through this study, novel phage (virus) genes and phage (virus) groups will be discovered; and the changes of phage (virus) genetic diversity and the community structures with environments will be clarified. The results of this project will promote the development of virus ecology.

噬菌体是侵染细菌的病毒，是生物圈中数量最多的生物，在控制宿主群落演替、生物进化和地球生物化学循环中起到重要的作用。近年来，海洋生态系统噬菌体研究进展很快，但陆地生态系统研究较少。湿地具有水生和陆生生态系统的特点，被认为是巨大的基因库，但国上对湿地噬菌体遗传基因多样性的研究还鲜有报道。本研究拟选取我国东北沼泽、湖泊和滨海三种典型湿地类型为研究对象，采用非分离培养的PCR扩增-分子克隆-Sanger测序技术，研究不同噬菌体标记基因（g23、pol、g20和psbA等）在湿地间的组成及分布，同时探索运用高通量测序技术解析不同湿地噬菌体分子标记基因和病毒宏基因组结构组成。研究结果将与国际上已知数据库信息进行多元比较分析，明确不同噬菌体类群在湿地中的分布特征。该研究将发现新的噬菌体基因，建立新的噬菌体类群，揭示噬菌体遗传基因多样性和群落结构与环境间的关系，推动分子病毒生态学科发展。

病毒是地球上数量最多的生命体，是自然生态系统不可或缺的重要组成部分，而有关湿地生态系统病毒多样性及组成研究还鲜有报道。本项目从我国东北2个滨海湿地（辽河口和鸭绿江口）、3个沼泽湿地（扎龙、南瓮河和洪河）和1个湖泊湿地（兴凯湖）采集沉积物和水体样本。利用分子生物学技术，研究了3种细菌病毒分子标记基因多样性、沉积物及水体细菌群落结构组成，再次基础上采用RAPD和宏基因组测序技术对水体病毒群落组成进行了分析。主要发现点如下： . 从湿地沉积物中获得262条不同的T4型细菌病毒g23基因，这些基因聚为13个进化簇，发现湿地生态系统中的g23基因分布同于旱地黑土，而与海洋、湖泊等水生生态系统和稻田生态系统较相似。. 从两个滨海湿地沉积物中获得66条细菌病毒DNA pol基因，29条序列形成了4个新的湿地特有的进化集群。发现滨海湿地沉积物DNA pol基因集群介于海洋和内陆组之间，而与来自开放性海洋和沿海水域中的基因集群亲缘关系更近。. 从两个湿地沉积物中获得了58条细菌病毒phoH基因。发现滨海湿地中的phoH基因集群与海洋环境中的亲缘关系较近，而兴凯湖湖泊湿地中的phoH基因集群与稻田环境中的亲缘关系较近，且滨海湿地和湖泊湿地中的phoH基因集群亲缘关系远。. 采用Miseq高通量测序技术发现湿地沉积物与水体细菌群落组成存在明显差异，两个滨海湿地群落组成较相似，其余淡水湿地群落组成较相似。淡水湿地细菌群落Alpha多样性高于滨海湿地。沉积物及水体中细菌群落结构由不同的环境因子所驱动。. 采用RAPD和宏基因测序技术研究了6个湿地水体病毒群落组成。发现湿地水体病毒群落组成存在明显差异，但是其中两个滨海湿地群落组成较相似，其余淡水湿地群落组成较相似。两种方法均发现Microviridae是湿地水体中最丰富的病毒科，发现湿地病毒含有多种辅助代谢基因。. 本项目已发表SCI论文3篇，中文核心期刊论文4篇，申请发明专利1项。研究成果对于揭示东北湿地病毒群落组成及多样性、对推动病毒生态学科的发展有一定的促进作用。