海洋微型蓝细菌及其短尾噬菌体的多样性与全球分布特征以及蓝细菌长尾噬菌体的基因组学研究

摘要

海洋微型蓝细菌(picocyanobacteria)是海洋中最重要的初级牛产者之一。原绿球藻（Prochlorococcus）和聚球藻（Synechococcus）是海洋微型蓝细菌最重要的两个类群。它们具有很高的遗传多样性，各自的基因型(genotype)对海洋环境的适应而产生多样化，形成了一系列生态型(ecotype)。原绿球藻依据对光照强度的适应分为高光适应型（high-light adapted ecotypes）与低光适应型(low-light adapted ecotypes)两大类，两者又分别包括一些低一级的生态型。聚球藻同样也拥有近20个已知的基因型，其中l-IV型在海洋环境中丰度最高。然而，研究表明，现有的海洋微型蓝细菌的基因型还不足以覆盖它们所有的多样性，因此，认识新的海洋微型蓝细菌基因型是本论文研究的重点内容之一。
　　 海洋微型蓝细菌的病毒，俗称蓝细菌噬菌体(cyanophage)，可以通过裂解宿主来控制宿主的群落结构，同时释放C、N、P等营养元素：蓝细菌噬菌体还可以介导基因交换，对宿主的进化产生重要的影响。目前认识的海洋微型蓝细菌的噬菌体都是来自有尾噬菌体日（Caudovirale）的三个科：肌尾噬菌体（Myoviridae），短尾噬菌体（Podoviridae）与长尾噬荫体（Siphoviridae）。肌尾噬芮体与短尾噬菌体是海洋中最普遍的蓝细菌噬菌体类群；前者具有交叉感染不同宿主菌株的能力，而后者基本是宿主专一性的。前人对蓝细菌肌尾噬菌体遗传多样性的研究已经取得了非常重要的进展，然而，蓝细菌短尾噬菌体的遗传多样性与分布特征却鲜有研究。同时，随着基因组学时代的到来，蓝细菌肌尾嘴菌体与短尾噬菌体的基因组研究也取得了举世瞩目的成绩，特别是在监细菌噬菌体中发现光合作用基因(photosynthesis genes)将这一领域推向海洋微型生物生态学的最前沿。但是，目前对蓝细菌长尾噬菌体的基因组研究还非常缺乏。因此，我们对聚球藻长尾噬菌体全基因组的分析将为这一领域提供非常重要的信息。
　　 本论文从以下几个方面展开研究并取得了一些对海洋微掣蓝细菌、微型蓝细菌短尾噬菌体的遗传多样性以及蓝细菌噬菌体基因组学的认识。1．基于16S-23S rRNAITS基因序列对北大西洋、赤道太平洋与南太平洋、白令海与楚科奇海以及中国南海等海区微型蓝细菌的遗传多样性进行了较广泛的调查，证实了前人发现的高光型与低光型的原绿球藻生态类型以及适应性，并第一次揭示了聚球藻5.3类群的多样性，初步认识这一类群的分布特征。发现聚球藻5.2类群巾的某些基因型可能适应于高纬度、低温的中富营养条件的环境，甚至是极地海区。2．基于DNA聚合酶基因(DNA polymerase)在全球海洋尺度上探讨海洋微型蓝细菌短尾噬菌体的遗传多样性，发现蓝细菌短尾噬菌体某些类群遍布各种环境，而有些类群仅在有限的海洋环境发现。外海环境中蓝细菌短尾噬菌体的类群多样性明显低于河口环境。我们并未发现蓝细菌短尾噬菌体在不同的海洋环境中分布的特异性——即基因型的分布与环境因子没有显著的相关性，这可能与一株蓝细菌可以被多种不同的短尾噬菌体类群感染有关。3．本研究对四株聚球藻长尾噬菌体以及一株前人发表的原绿球藻长尾噬菌体(Sullivan et al.，2009)的全基因组进行比较分析，发现蓝细菌长尾噬菌体可以分为三个在遗传与形态上具有显著区分的类群。蓝细菌长尾噬菌体不编码光合作用基因，却与宿主共享部分与细胞DNA代谢相关的同源基因。通过对一些具代表性的同源基因的系统发育分析，我们认为海洋微型蓝细菌可能在进化的早期——主要基因型形成之前，通过前噬菌体的整合或者同源重组从噬菌体中获得与DNA代谢、复制或者整合相关的基因。然而，整合入海洋微型蓝细菌祖先的前噬菌体在进化过程中逐渐丢失，减小宿主的基因组大小，有利于宿主适应开阔大洋的寡营养条件。因而，海洋微型蓝细菌对噬菌体基因选择性的保留是其适应性的表现。