浮游藻類與噬藻體生態功能及其互作關系研究進展

王子藝， 成亞輝， 張仕穎， 肖 煒， 段紅平*

(1.云南農業大學 云南省土壤培肥與污染修復工程實驗室，云南 昆明 650201； 2.云南大學 生命科學學院云南省微生物研究所，云南 昆明 650091)

水體富營養化是全球性水污染問題，會引起浮游藻類生物量增加[1]，爆發性生長時容易形成藍藻水華，其影響范圍廣、危害嚴重[2]。浮游藻類通常指生活在水中營浮游生活方式的微小植物，一般不包括細菌和其它植物，其群落結構可在一定程度上反映水體富營養化程度[3]。近年來，水體藻華強度持續增加[4]，藻類可通過降低水體透明度，引起水體有機物聚集消耗溶解氧以及釋放藻毒素等危害水生動植物，導致水體生物多樣性降低[5-7]，給世界范圍內的水生生態系統造成負面影響[8]。

浮游病毒(Virioplankton)是噬菌體(Bacteriophages)、噬藻體(Cyanophages)、真核藻類病毒(Phycovirus)、浮游動物病毒及人類病毒等各種病毒顆粒的總稱[9]，其中，噬藻體(Cyanophage)是感染原綠球藻(Prochlorococcus)、聚球藻(Synechococcus)和其它藍細菌的病毒[10-11]。噬藻體在環境中的遺傳多樣性極為豐富[12]，可改變宿主代謝和復制影響藍藻群落結構[13-15]。研究浮游藻類與噬藻體在生態系統中的生態功能以及噬藻體與宿主之間的相互作用關系，對了解噬藻體，并通過噬藻體控制有害浮游藻類具有深刻意義。

1 浮游藻類

1.1 浮游藻類在淡水生態系統中的功能

浮游藻類廣泛分布于各種自然水體中，包括真核藻類和原核藻類(藍藻)，是水生生態系統主要的初級生產者[16-17]，為浮游動物和魚類提供豐富的餌料[18]，是食物鏈中最基礎且最重要的一個環節。浮游藻類含葉綠素，能進行光合作用，可將大氣中的無機碳轉化為有機碳，同時釋放O2供其它浮游生物所需[19]。真核藻類可通過將溶解的無機碳轉化為顆粒狀有機碳來調節氮、碳和氧的循環[20]；原核藻類可通過光合作用和固氮作用，在碳循環和氣候變化中發揮著重要作用[21]。浮游藻類的種類和數量的變化直接或間接影響其它水生生物的分布和豐度，甚至影響整個生態系統穩定性[22]。

與其它水生植物相比，浮游藻類因其生長周期短、數量眾多，對環境變化更為敏感，故其群落結構和生物量變化對水質具有較好的指示作用。沈軍等[23]對升金湖中的浮游藻類進行調查發現，水體大部分區域污染程度較為嚴重，整個湖泊屬富營養化范疇。邱昌恩等[24]對黃石磁湖北湖8個采樣點分季節進行浮游植物定性、定量調查研究發現，磁湖北湖已處于中度富營養化水平且環境相對穩定。王艷等[25]調查分析遼河遼中段水體中的浮游藻類種類構成、優勢度和生物多樣性指數，判斷該段水體呈輕-中度污染狀態。NAVARRETE等[26]通過研究浮游植物多樣性、沉積物地球化學和水質發現，菲律賓Palakpakin湖正從富營養化轉為重度富營養化湖泊。ZHANG等[27]以Balihe湖檢測的浮游生物數據為基礎構建生態系統健康評價體系發現，Balihe湖冬季水質最好。因此，浮游藻類可作為監測水環境變化的重要生物學指標。

1.2 環境因素對浮游藻類的影響

浮游藻類生長是水環境中物理、化學和生物因素共同作用的結果，其作用機理較為復雜。王松波等[28]通過分析三峽水庫蓄水后庫區浮游植物的相關文獻發現，水溫、流速、光照、營養鹽和水體混合層深度是影響浮游植物群落結構變化的主要環境因子。葛優等[29]的研究發現，水溫、pH值、溶解氧(DO)、氨氮(NH4+-N)和濁度(Tur)是影響陽澄西湖浮游藻類功能群分布格局的主要因素。

太陽輻射是浮游藻類進行光合作用、合成有機質的唯一能源。光照強度在一定范圍內對藻類植物的光合作用起促進作用，其數量隨光強增加而呈增長趨勢；當光強增加至飽和值時，藻類生長停滯[30]；如果進一步提高光強，則藻類光合作用速率反而隨之下降[30-31]。孫曉慶等[31]研究發現，微、小型浮游植物在100%自然光強下生長最快，微型浮游植物在50%自然光強下生長最快。

溫度是影響浮游藻類生長的另一個環境因素。不同浮游藻類對溫度的適應范圍有所不同，大多數浮游藻類最適生長溫度為18～25℃，超出耐受范圍則會抑制藻類生長[32]。錢志萍等[33]研究發現，銅綠微囊藻和細小平裂藻均能在高溫、高光照條件下達到最佳生長狀態；黏偽魚腥藻則只有在低溫、低光照情況下才具有競爭優勢。TROMBETTA等[34]連續2年對淺海水域浮游植物進行調查發現，水溫升高是浮游植物大量繁殖的主要因素。

營養鹽是浮游藻類生長的基礎，其在水體中的濃度及分布對藻類的種群結構、細胞豐度等具有重要作用。水體氮、磷濃度是藻類生長繁殖的限制參數[35]。董旭輝等[36]對長江中下游45個湖泊的15個水質指標監測發現，總磷是影響硅藻種群分布最主要的環境因子。PIKAITYTE等[37]對Curonian瀉湖的浮游植物研究發現，春季磷對浮游植物的影響較大，夏季增氮有利于浮游植物生長。WU等[38]對德國北部的河流研究發現，N、P濃度是控制浮游藻類群落組成的關鍵因素。馮秋園等[39]對滇池水體研究發現，營養鹽是影響浮游植物群落分布的關鍵因子。

2 噬藻體

2.1 噬藻體在淡水生態系統中的功能

藍藻(Cyanobacteria)是一種廣泛分布于全球各種水體環境中的光能自養型原核生物[40]，噬藻體(Cyanophage)作為特異性感染藍藻的病毒，同樣廣泛存在于各類水生生態系統中，其數量豐富，種類繁多，是水生微生物群落的重要組成部分。噬藻體可通過裂解藍藻造成藍藻大量死亡，導致水體初級生產力下降，在微食物循環和物質能量循環中具有非常重要的生態學意義；同時噬藻體對藍藻種群結構的調節和藍藻進化方向起十分重要的作用，可作為藍藻水華的生物控制因子。YOSHIDA等[41]研究發現，當銅綠微囊藻數量下降時，噬藻體豐度明顯增加，表明二者呈顯著負相關。

2.2 噬藻體遺傳多樣性的主要影響因素

噬藻體具有豐富的遺傳多樣性，自身和外部環境因素的改變對其多樣性均有較大的影響。KELLY等[42]研究發現，噬藻體普遍存在基因增減和變異，如新增來自宿主藻的基因、出現病毒復制相關基因及病毒結構基因變化等，噬藻體基因組的這些結構變化導致噬藻體遺傳多樣性。CLASEN等[43]認為，噬藻體與宿主藻之間的水平基因轉移是導致噬藻體遺傳多樣性的原因，使之成為含有豐富基因種類的基因庫[44-45]。宿主類型的不同導致噬藻體種屬和形態的差異，即噬藻體的遺傳多樣性隨宿主的遺傳多樣性變化而變化，例如利用10株適應強光的原綠球藻(Prochlorococcus)分離出的均為短尾科噬藻體(Podoviridae)，利用適應低光照的原綠球藻分離出的噬藻體超過一半屬于肌尾科(Myoviridae)[46]。DEKEL-BLRD等[47]研究發現，從適應強光的原綠球藻中分離的噬藻體，其宿主特異性明顯高于從適應弱光的原綠球藻或聚球藻中分離的噬藻體。

噬藻體廣泛分布在各種水域中，不同生境噬藻體遺傳多樣性存在差異。ZHONG等[48]研究發現，河口的噬藻體g20基因組成與海洋不同。WILHELM等[49-51]對淡水湖泊和稻田環境中噬藻體g20基因遺傳多樣性研究發現，大部分淡水環境的噬藻體g20基因片段單獨成簇，與海洋噬藻體群落距離較遠，僅部分淡水g20基因片段與海洋噬藻體群落g20基因片段同源性較高。相同的噬藻體也可能存在于不同的生境中，DORIGO等[52]研究發現，布爾熱湖中的部分噬藻體在海水中也有分布。

噬藻體多樣性還與水體分層密切相關，不同水深中的噬藻體多樣性差別明顯，葉綠素最高值的深層水體(deep chlorophyII maximum，DCM)噬藻體多樣性高于表層水體[53]。ZHONG等[48]對墨西哥灣流不同水層噬藻體的研究發現，DCM中除與表層相同的基因簇外還含有另外3個基因簇，而表層水體沒有。WANG等[54]對切薩皮克灣噬藻體多樣性的研究中發現了相同的結果，即從表層到DCM噬藻體群落結構發生較大變化，在DCM出現較高的遺傳多樣性。

噬藻體的遺傳多樣性呈明顯的季節性變化，不同季節噬藻體結構組成不同，一般夏季、秋季噬藻體多樣性較為豐富。SANDAA等[55]對挪威近海海域中噬藻體的研究發現，噬藻體遺傳多樣性呈明顯的季節性變化，不同季節水域中噬藻體的優勢種群不同。WANG等[54]研究發現，切薩皮克灣噬藻體g20基因多樣性夏季高于冬季。

此外，噬藻體的多樣性還受到各種環境因素的影響，比如鹽度、溫度、光照、營養條件等[56]。WILSON等[57]在對大西洋橫斷面上噬藻體的研究發現，水層結構、光照條件、營養條件等因素影響噬藻體群落結構和多樣性。LU等[58]對喬治亞洲3個河口噬藻體遺傳多樣性研究發現，以聚球藻為宿主的噬藻體豐度隨水體鹽度的增加而增加，推測可能由于聚球藻噬藻體復制需要一定的鹽度，因此鹽度可通過影響其宿主的生長而間接影響噬藻體的多樣性。LIU等[59]發現，培養的噬藻體在感染期間呈現晝夜節律，一些噬藻體對宿主細胞的吸附依賴于光照，侵染過程中噬藻體的裂解量與光照時間呈正相關。

3 浮游藻類與噬藻體的互作關系

浮游植物在全球碳循環中起著關鍵作用[60]，噬藻體則控制著整個浮游植物群落的結構，通過調節宿主種群密度、碳和營養物質的循環，以及通過在宿主進化中水平基因轉移和基因型選擇，在生物地球化學循環和生物間遺傳物質的傳遞和轉移中發揮重要作用[61-63]。

病毒引起的細菌死亡是限制和維持藍藻豐度低于環境資源承載力的重要因素[64]。來自不同樣點的1%～3%海洋聚球藻(Synechococcusspp.)含有成熟的噬菌體，而噬藻體對聚球藻的日致死率達5%～14%[58]。對富營養化淡水湖泊的調查顯示，病毒裂解對藍藻的日致死率高達50%[65]。JIANG等[66]測定了伊利湖噬藻體-銅綠微囊藻的相互作用，透射電鏡顯示該噬藻體屬短尾科，PCR鑒定到psbA基因和球形蛋白基因gp58；通過測定藻藍蛋白和葉綠素a的濃度發現，藻藍蛋白對宿主藻的生長和光合作用有明顯的抑制作用。

噬藻體在與藍藻相互作用過程中，一方面充當藍藻水平基因轉移的生物媒介，提供新的遺傳物質給藍藻。LINDELL等[67]研究海洋噬藻體-宿主藍藻的遺傳關系發現，海洋原綠球藻與噬藻體間不斷進行遺傳物質的交換。SULLIVAN等[68]在對108株噬藻體進行交叉感染宿主的研究發現，108株噬藻體中有103株噬藻體產生了相似的宿主范圍，表明噬藻體的宿主范圍在有選擇的侵染宿主時通過DNA修飾改變。另一方面噬藻體從藍藻基因組中獲得部分DNA片段改變自身的遺傳物質結構，逃避宿主免疫機制系統從而提高自身生態適應性[69-70]。在噬藻體基因組研究中發現，一系列與宿主細胞功能相關的基因，其中與宿主藍藻的新陳代謝功能有關的同源基因稱為“輔助代謝基因”(Auxiliary metabolic genes，AMGs)[71]，目前大部分已知噬藻體AMGs基因主要參與宿主藻的光合作用、戊糖磷酸循環、營養吸收、DNA合成等代謝活動，其是噬藻體在長期與宿主藻共生裂解等過程中，通過基因水平轉移等形成的一套互利互惠的進化機制[71]。JIANG等[72]對新分離的噬藻體S-B05全基因組分析發現，AMGs基因的存在與光合作用、碳代謝、磷同化等相關，系統發育關系反映了噬藻體-宿主藻的相互作用機制。SULLIVAN等[73]在33株已分離噬藻體中發現與宿主共同存在的光合基因psbA，通過構建序列進化樹和檢測基因中的GC含量，確定檢測到的psbA基因來自于藍藻病毒，推斷噬藻體psbA基因是從宿主藍藻中轉移得到，并且噬藻體能介導不同藍藻種之間的psbA的基因轉移。BAILEY等[74]分析侵染聚球藻和原綠球藻的噬藻體S-PM2的基因組序列發現，噬藻體編碼關鍵光系統II反應中心多肽D1和D2的同源性，能夠保護其宿主免受急性光抑制對其細胞完整性的傷害，從而確保復制的能量供應。HUANG等[75]在噬藻體S-CBS2中發現藍藻細胞中保護光合器官免受光損傷的hli基因，同時在感染周期中發現了噬藻體hli基因的表達，這在自然環境中體現了宿主-病毒間的互利關系。

自然界中，宿主藍藻的大量繁殖為噬藻體提供了豐富的宿主來源，利于噬藻體在其細胞內增殖，促進病毒-宿主間的協同進化。噬藻體存在豐富的獨特基因資源，60%以上的基因序列與已知病毒序列存在較大差異，而與宿主基因之間存在較高的同源性[76-78]。GAO等[76]新分離的無尾噬藻體PaV-LD基因組中攜帶藍藻NblA同源基因，該基因通常只存在于藍藻中，是藻膽體蛋白降解的關鍵基因，在感染宿主絲狀藍藻后，使得藍藻細胞由藍綠色變為黃綠色，細胞中藻膽體蛋白含量顯著下降。YOSHIDA-TAKASHIMA等[79]發現，肌尾科噬藻體Ma-LMM01中也存在編碼類似宿主NblA的同源基因nblA，鑒于其在噬藻體侵染過程中高度轉錄，推測噬藻體nblA基因通過在侵染過程中防止光抑制宿主藻，為噬藻體提供適宜的侵染條件。噬藻體nblA基因可能是宿主藻-噬藻體間協同進化的產物。

然而，噬藻體并無法將宿主藻類全部裂解，某些藻類細胞會對這些噬藻體產生“抵抗力”，而與噬藻體共存。絕大多數宿主基因的轉錄水平在噬藻體侵染后很快下降，但仍有一些基因的轉錄水平上升或保持穩定。進一步的研究表明，宿主藻反應基因在噬藻體侵染過程中發揮功能，部分是為了防御侵染，部分則由噬菌體介導促進侵染[80]。研究發現，藍細菌已開發出多種針對外來DNA的防御機制，包括物理屏障(自然感受態和胞外多糖)和遺傳屏障(限制性修飾系統：Restriction-modifi cation systems，簡稱RM系統和CRISPR噬菌體免疫系統：CRISPR phage immunity system)[81]。胞外多糖的組成和數量在藍藻中并不均勻，可能受到光照、溫度、養分等環境因素的影響。許多研究認為，RM系統是細菌對抗外源DNA入侵的最典型的防御機制[82]。WANG等[83]研究發現宿主藻存在有4種RM蛋白可能在噬藻體侵染中發生防御作用。研究表明[84]，CRISPR位點廣泛分布在藍藻基因組中，在CRISPR間隔物與相應的噬菌體基因組同源時，細菌CRISPRs可以防御噬菌體侵染[85]，即利用CRISPRs作為工具能夠闡明噬菌體-細菌相互作用及生態系統中微生物和病毒種群共同進化的動態信息。

在自然界中，存在著影響病毒-宿主種群相互作用的因素。BARNET等[86]研究發現，淤泥的加入抑制了噬藻體LPP-DUN1對宿主藻(Plectonemaboryanum)的裂解，推測水體中的膠狀物質(包括粘土和有機顆粒等)影響噬藻體-宿主藍藻之間的相互作用。WANG等[54]對切薩皮克灣噬藻體-宿主藻(聚球藻)的研究發現，不同環境條件下噬藻體對聚球藻的致死率不同，在干旱時較高，降雨時較低，推測環境梯度的差異會影響宿主的組成進而影響病毒對宿主種群的影響。溫度、pH、磷酸鹽等環境因子同樣影響噬藻體-宿主藻的相互作用。噬藻體AS-1在35℃時裂解量高于24℃；pH值降低，聚球藻WH7803數量減少，導致噬藻體增殖效率降低[5,87]。ZENG等[88]研究發現，噬藻體可以通過在磷限制的環境中影響宿主藻對磷的獲取而獲得適應性優勢，其中噬菌體編碼的高親和力磷酸鹽結合蛋白基因(pstS)和堿性磷酸酶基因(phoA)均為宿主同源基因，當噬菌體感染磷饑餓的宿主細胞時轉錄升高，進一步研究發現，這些基因的轉錄是由宿主PhoR/PhoB系統調控，即通過宿主的營養限制來調控裂解噬菌體基因，揭示了噬菌體-宿主和環境共同進化的新思想。WILSON等[89]研究發現，缺乏磷酸鹽導致聚球藻WH7803生長速率降低，噬藻體S-PM2裂解量減少80%。

4 展望

隨著水體富營養化日益嚴重，引起浮游藻類大量繁殖，水質惡化而喪失其功能?，F有研究表明，浮游病毒在控制浮游藻類數量上具有重要作用，其中噬藻體在調控藍藻水華生消中潛力巨大。充分了解浮游植物和噬藻體的相互作用，可以更好地理解水生系統中藻類水華的形成和終止，從而有效地保護水資源。

國內對于浮游藻類的研究主要依賴于傳統的顯微鏡技術，缺乏對浮游藻類多樣性的研究報道，對于浮游藻類與噬藻體的互作關系的研究相對薄弱。浮游藻類和噬藻體多樣性的研究主要是以數據庫中已知的遺傳信息為背景，但目前獲得的藻類和噬藻體全基因序列比較少。要獲得其全基因組信息需要利用傳統的分離純化方法，由于現有微生物分離培養技術的局限，同樣在某種程度上限制噬藻體與宿主藻之間相互關系的研究。未來可結合分子生物學技術從基因水平探究藻類與噬藻體的相互作用模式及其環境影響，并利用免培養技術獲得的信息為藻類和噬藻體的純化分離提供依據，以更好地理解宿主-病毒系統的生態意義，為富營養水體藻類水華治理提供理論依據。