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红树林和海山沉积物病毒多样性及其潜在的生态意义研究

郭迅  
【摘要】:病毒是地球上丰度最高的“生物”类群,它们广泛地存在于所有已知的生境中。海洋生态系统中病毒的丰度大约是海洋原核生物的10倍。因其巨大的丰度和基因多样性,病毒在海洋生态系统中发挥着非常重要的调控作用。本文从浅海(红树林)和深海(海山)两个生境入手,针对未培养病毒(利用宏基因组测序的分析方法)及可培养病毒(利用噬菌体分离培养的分析方法)两方面进行海洋病毒多样性、地理分布及其潜在生态功能的研究。(1)红树林是地球上生产力最高的生态系统之一,发挥重要的生态功能。作为碳储存量最丰富的生物群落,红树林占陆地向海洋输入碳总量的11%。之前的研究主要侧重于红树林中的动物群落、植物群落和细菌群落,对红树林生态系统中病毒的群落结构、遗传多样性及其发挥的生态作用知之甚少。本研究从三种不同红树林生境(即海湾、河流和港口)沉积物样品中分离纯化病毒粒子,并利用病毒宏基因组学的方法对病毒DNA进行了深入的测序和分析。比对结果显示,红树林沉积物病毒在很大程度上是未知的。主要病毒类群的系统发育分析显示,不同生境红树林病毒序列具有广泛的多样性并出现了以前未知的病毒分支,这表明不同区域红树林病毒可能具有共同的遗传特征。病毒基因型比较分析表明,红树林沉积物病毒主要受海水影响,淡水对其影响较小。值得注意的是,我们从红树林病毒中发现了丰富的辅助碳水化合物活性酶(CAZyme)基因,其中大部分参与红树林生态系统中复合多糖的生物降解。预测结果显示,这些CAZyme基因可能广泛存在于能够感染不同细菌类群的病毒中。该部分的研究结果表明,红树林病毒种类繁多,可能通过参与复杂多糖的降解直接调控碳循环,为揭示病毒在红树林生态系统中发挥的生态作用提供了重要参考。(2)作为深海大洋中的独特生态环境,海山往往具有较高的生物量、生物多样性和生物独有性。但是关于海山沉积物中病毒多样性以及海山地理隔绝对病毒群落结构的影响等方面的认识还有很大欠缺。本研究利用bulk-metagenomics方法(先测沉积物总DNA,再从中挖掘病毒信号进行分析)对不同海山沉积物样本中病毒群落进行了初步研究。我们共从海山沉积物中鉴定出34个病毒科和245个病毒属,其中主要为有尾噬菌体。通过对比不同海山沉积物样本的病毒群落结构,我们发现在病毒分类组成方面,海山沉积物病毒群落结构相似度较高,但同时不同海山样品中也存在特异的病毒类群。病毒基因功能预测结果显示不同海山沉积物样本中病毒功能基因的相对丰度存在较大的差异。此外,我们发现海山沉积物中存在大量与“氨基酸、脂质、碳水化合物、无机离子等物质代谢和运输”功能相关的病毒辅助代谢功能,这些辅助代谢功能需要进行更深入的分析研究,以探讨海山沉积物病毒与宿主的相互作用关系,以及海山沉积物病毒的潜在生态学功能。(3)海洋环境中的病毒绝大多数都是感染细菌、螺旋体等微生物的噬菌体。但相比于浅海,目前从深海环境获得的纯培养噬菌体还比较少。本研究通过分离培养的方法,从深海沉积物样品中筛选出9株噬菌体。利用透射电镜观察噬菌体的形态特征,结果表明深海沉积物中可培养噬菌体的形态是多样的。对其中从M2海山沉积物中分离得到的一株裂解性噬菌体Gxv1进行了深入研究。结果发现Gxv1是短尾噬菌体科Salasvirus属的一个新成员,且与芽孢杆菌噬菌体phi29具有较高的同源性。一步生长曲线结果表明噬菌体Gxv1在感染宿主后约3-3.5小时开始复制,在感染后6.5小时达到平稳期。从Gxv1基因组中共预测到34个基因,主要编码与DNA复制、转录调节、裂解功能有关的蛋白质。这一研究将有助于提高我们对深海海山病毒多样性的认识以及病毒-宿主相互作用的理解。


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