中国科技大学在巢湖淡水噬藻体组学研究中取得新进展

中国科学技术大学生命科学与医学部周丛照教授课题组，从巢湖成功分离五株侵染伪鱼腥藻Chao 1806的噬藻体Pam1~Pam5。基于比较基因组学和宏基因组学分析，作者揭示了Pam1~Pam5的进化多样性，及它们在巢湖自然水体中的相对丰度，并以这五株实验室纯化的噬藻体基因组序列作为参考基因组，鉴定了10株尚未培养的噬藻体。相关研究成果以“Comparative genomic analysis of five freshwater cyanophages and reference-guided metagenomic data mining”为题，于2022年8月17日在线发表在《Microbiome》上。

光合自养微生物蓝藻作为地球上最重要的初级生产者，参与调控碳氮等物质循环。然而随着全球变暖以及城市化和工业化发展，水体富营养化日益严重。全球淡水水体每年都大范围爆发季节性蓝藻水华，对周边流域的生态环境及人畜安全造成重大危害。噬藻体是一类特异性侵染和裂解蓝藻的噬菌体，是蓝藻的天敌，参与调控蓝藻的季节性消长，因此有望成为一种环境友好型的水华治理工具。相比于被广泛研究的噬菌体和海洋噬藻体，迄今为止只有少数的淡水噬藻体被分离、鉴定和测序，在很大程度上限制了噬藻体的研究和应用。

通过在水华爆发季节从巢湖采集水样，作者首先从巢湖水体中分离和放大培养了一株伪鱼腥藻Chao 1806；并以此为宿主，筛选分离得到五株尾部形态各异的淡水噬藻体Pam1~Pam5（图一）。全基因组测序表明，这五株噬藻体的双链DNA基因组长度在36到142 Kb之间。随后的比较基因组学和系统发育分析表明，Pam1~Pam5具有不同的DNA包装机制，且在进化上是相互独立的。利用宏基因组学分析手段，作者计算了它们在巢湖南淝河口水体中的相对丰度，结果表明短尾噬藻体Pam1和Pam5占主体。进一步，作者以Pam1~Pam5和先前报道的其它淡水噬藻体基因组做参考基因组，从巢湖水体的宏基因组数据中聚类出10个新的尚未培养的淡水噬藻体重叠群（图二）。基于上述分析，作者提出了一种基于现有宏基因组数据以及有限的实验分离噬藻体的参考基因组的高通量鉴定新噬藻体的策略，可应用于系统性挖掘未培养的噬菌体或病毒的完整或部分基因组。结合合成生物学手段，将体外合成的基因组转化适当宿主，可以得到大量新的噬藻体，大大丰富地球上已知微生物库。

中国科学技术大学生命科学与医学部周丛照教授和李琼特任副研究员为该论文的共同通讯作者。中国科学技术大学微尺度物质科学国家研究中心博士生杜康为该论文第一作者。该研究工作得到了国家自然科学基金委与安徽省区域联合基金重点项目、科技部重点研发计划项目、安徽省重点研发计划项目和中央高校基础科研业务费专项资金的资助支持。

图一 巢湖分离的五株淡水噬藻体Pam1~Pam5形态图

图二 10株尚未培养的淡水噬藻体重叠群的进化分析