嗜盐古菌噬菌体SNJ1与宿主J7敌对共进化机理研究

Halophages have not only their own distinctive characteristics, but also the universal traits of bacterial and eukaryotic viruses. They are much closer to the nature of life in its origin and evolution. The halophage SNJ1, derived from the fusion of two different genera Natrinema sp.J7 and Hbt.salinarium R1, has many unique biological characteristics, specific responses to the change of environment and the ability to infect J7. Our preliminary results showed that after SNJ1 infection, NaCl, served as the external signal, played roles in the life cycles (lytic cycle and lysogenic pathway) of halophage inside of cells. Our bioinformatics analysis shows that CRISPR/cas system exists in the J7 genome. In this project, we will focus on two aspects: (1) understanding how NaCl regulates the life cycle of SNJ1 and the involved genetic mechanism; (2) exploring the mechanism of antagnostic co-evolution between halophage SNJ1 and J7 mediated by CRISPR/cas system. Our study will reveal the mechanism of antagnostic co-evolution between halophage and its host, providing the theoretical basis for phage therapy and biological control in health and agriculture.

嗜盐古生菌噬菌体与其宿主一样，既具有自己鲜明的特征又具有细菌与真核生物病毒的共性，是生命起源与进化中更贴近生命本源的一种存在形式。嗜盐古生菌噬菌体SNJ1为不同属的Natrinema sp.J7与Hbt.salinarium R1形成的融合子经诱导产生，具有许多独有生物学特征和对环境的反应能力且能感染J7。前期研究发现：NaCl作为调节信号能介导SNJ1进入宿主后完成不同的生命周期；生物信息学分析J7基因组上存在CRISPR/cas系统。本项目将围绕NaCl作为外界信号调节噬菌体进入宿主后的生命周期，鉴定与通路相关的蛋白因子；从CRISPR/cas系统入手，鉴定与宿主抗性获得和共进化相关的蛋白因子和CRISPR序列。意义在于：研究贴进生命本源的古生菌及其噬菌这一敌对关系的共进化，阐释敌对物种间共进化机制，为共进化理论研究提供新的证据、见解或新的发现，为噬菌体治疗和农业生物防治提供理论基础。

嗜盐古生菌及其噬菌体是一类生长在高盐环境下的生物实体，既具有自身鲜明的特征，又具有三域生物的共性。嗜盐古生菌噬菌体SNJ1由丝裂霉素C从融合子Natrinema sp. J7-1中诱导产生（Natrinema sp. J7-1为不同属的Natrinema sp. J7 与Hbt. salinarium R1 形成的融合子之一），能感染另一融合子Natrinema sp. J7-2。本项目研究了NaCl作为一种外界信号能调节噬菌体SNJ1与宿主Natrinema sp. J7-2的相互关系。研究发现，环境中NaCl浓度高于25%时，有利于噬菌体SNJ1进入裂解循环；NaCl浓度低于25%时，有利于噬菌体SNJ1进入溶源周期。这一现象主要受生长在不同NaCl浓度下宿主生理状态的调控，研究发现生长在不同NaCl浓度下的宿主细胞，其差异表达基因主要集中在宿主的能量代谢（如氨基酸代谢、卟啉代谢途径上）和转运途径相关的因子上。因此认为噬菌体进入宿主后启动不同的生命周期主要与宿主的能量代谢有关。在共进化的培养体系中，无论外界的干扰（生物干扰因子指的是噬菌体的感染复数，环境干扰因子指在静置或摇床中培养，营养限制指的是噬菌体与宿主共培养体系不停的转接到新鲜培养基中或一直在初始培养基中培养到指定时期）如何，噬菌体数量与宿主数量的比值保持在10-130之间，这与报道的自然界中噬菌与宿主的数量关系比较吻合。从不同传代次数的噬菌体与宿主交叉感染的数据分析表明共培养体系中噬菌体与宿主的进化动力源自波动进化。随机分析了一株共进化中抗性菌株，在抗性菌株的基因组上有5处倒置（Inversion）、17处易位（Transloaction）、9处易位兼倒置 (Translocation and Inversion)、1处插入（Insertion）、1处串联重复序列插入（DupInsertion）、34处SNP位点。其中串联重复插入位点位于基因组的2861322位点，此处位于Natrinema sp.J7-2基因组上预测的3个CRISPR结构的第二个CRISPR位点，插入的长度为65bp，插入序列与导致宿主对噬菌体SNJ1抗性的关系非常密切。本项目还建立了利用QPCR监测环境中SNJ1动态变化的方法。