海洋浮游病毒和深部生物圈病毒的生態(tài)特性.pdf

1、作為海洋環(huán)境中數(shù)量最多的生物類(lèi)群，海洋病毒無(wú)時(shí)無(wú)刻不在影響著海洋生態(tài)系統(tǒng)的眾多生物化學(xué)過(guò)程。病毒通過(guò)侵染、裂解宿主，將大量胞內(nèi)物質(zhì)釋放到海洋中，影響營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和能量的流動(dòng)，是海洋生物地球化學(xué)循環(huán)的主要推動(dòng)力。通過(guò)侵染特定的宿主，病毒對(duì)生物的群落結(jié)構(gòu)、多樣性以及生物進(jìn)化具有重要的調(diào)控作用。對(duì)海洋病毒豐度、生產(chǎn)力、多樣性及其與宿主相互關(guān)系開(kāi)展研究，可以為闡明海洋病毒在海洋物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)中的作用、解釋海洋環(huán)境乃至全球氣候變化等重大事件、開(kāi)發(fā)

2、利用海洋微生物資源等方面提供科學(xué)依據(jù)，有助于人們更清楚地理解海洋病毒的生態(tài)重要性，認(rèn)識(shí)現(xiàn)有的生物資源狀況，從而為采取適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)策略提供正確的理論指導(dǎo)。
　　本論文首先對(duì)海洋病毒收集的基礎(chǔ)方法進(jìn)行系統(tǒng)評(píng)估，為海洋病毒生態(tài)特性研究奠定基礎(chǔ)。接著從可培養(yǎng)病毒入手，以海洋生態(tài)系統(tǒng)中具有廣泛分布和重要生態(tài)地位的Roseobacter的典型菌株為宿主，從不同海洋環(huán)境中分離其烈性噬菌體，探索浮游病毒多樣性及病毒與宿主的相互關(guān)系;另一方面，從不可

3、培養(yǎng)病毒入手，沿著從近岸到遠(yuǎn)洋，從表層到深海這一研究思路，分別對(duì)具有典型亞熱帶河口生態(tài)特征的九龍江口水域、寡營(yíng)養(yǎng)海域中國(guó)南海表層海水、南海和西太平洋3，000 m深海等不同海洋環(huán)境中病毒的多樣性進(jìn)行宏基因組分析。此外，本論文以具有較快沉降速率的波羅的海沉積物為研究區(qū)域，通過(guò)研究不同深度沉積物中病毒的豐度、生產(chǎn)力和形態(tài)多樣性，以期為深入調(diào)查和認(rèn)識(shí)深部生物圈病毒這一獨(dú)特基因?qū)殠?kù)以及病毒起源、進(jìn)化等一系列重大生物學(xué)問(wèn)題起推動(dòng)作用。本論文的主要

4、研究結(jié)果如下:
　　1.系統(tǒng)評(píng)估了在不同海洋環(huán)境下，兩種不同規(guī)模的切向流過(guò)濾(Tangentialflow filtration，TFF)系統(tǒng)對(duì)海洋浮游細(xì)菌及病毒的分離和濃縮效率。結(jié)果顯示TFF過(guò)濾效率受膜包材質(zhì)及樣品屬性影響。河口環(huán)境下的濃縮效率高于大洋環(huán)境，深海環(huán)境下的濃縮效率最低。相較于聚醚砜(Polyethersulfone，PES)材質(zhì)膜包，聚偏氟乙烯(Polyvinylidene difluoride，PVDF)材質(zhì)膜

5、包具有對(duì)病毒高截留，低濾過(guò)的特點(diǎn)，表明PES材質(zhì)膜包有利于獲取更多的病毒。在小型TFF系統(tǒng)中，改良纖維素(Regenerated cellulose，RCL)材質(zhì)膜包對(duì)病毒的濃縮效率高于PES材質(zhì)膜包，二者在大型TFF系統(tǒng)中的效率沒(méi)有顯著差別?？傮w而言，PES材質(zhì)膜包更適合用于獲取病毒前的去除細(xì)菌步驟，而RCL材質(zhì)膜包濃縮病毒效率高;此外，PES材質(zhì)膜包更建議用于獲得無(wú)菌無(wú)病毒海水。
　　2.以玫瑰桿菌的典型菌株Dinoroseo

6、bacter shibae DFL12T為宿主，通過(guò)切向流過(guò)濾濃縮，采用雙層平板法從廈門(mén)黃厝、廈門(mén)白城和中國(guó)南海三個(gè)海域分離出1株短尾噬菌體和2株長(zhǎng)尾噬菌體?；陔婄R觀察和基因組分析發(fā)現(xiàn)，短尾噬菌體vB DshP-R2C隸屬于N4類(lèi)噬菌體，并與其它分離環(huán)境各異的海洋N4類(lèi)噬菌體具有相似的基因組結(jié)構(gòu)，說(shuō)明N4類(lèi)噬菌體進(jìn)化關(guān)系比較緊密。雖然同屬于長(zhǎng)尾噬菌體科，vB_DshP-R4C和vB_DshP-R5C在形態(tài)結(jié)構(gòu)、感染特性和基因組信息上都

7、具有顯著差異，二者的基因組中都存在大量未知的基因，并與數(shù)據(jù)庫(kù)已有的基因相差甚遠(yuǎn)，說(shuō)明R4C和R5C不同于之前分離發(fā)現(xiàn)的長(zhǎng)尾噬菌體，而可能代表了新的分支。
　　3.運(yùn)用流式細(xì)胞儀調(diào)查了廈門(mén)環(huán)島海域浮游病毒的豐度;結(jié)果顯示，廈門(mén)海域表層海水中浮游病毒的豐度為107 mL-1，呈現(xiàn)出由近岸向外海逐漸遞減的趨勢(shì)。通過(guò)透射電子顯微鏡，初步分析了廈門(mén)海域浮游病毒的形態(tài)多樣性;結(jié)果顯示，廈門(mén)海域病毒形態(tài)豐富，且大多數(shù)為噬菌體。同時(shí)，運(yùn)用病毒宏基

8、因組學(xué)技術(shù)研究了九龍江河口區(qū)域浮游病毒的群落結(jié)構(gòu)和多樣性特征。結(jié)果表明，約79％的九龍江口病毒序列同數(shù)據(jù)庫(kù)中已有序列沒(méi)有相似性。大部分可匹配序列隸屬于有尾病毒目，其中以短尾病毒科居多。物種相對(duì)豐度分析發(fā)現(xiàn)，豐度最高的兩種病毒分別是侵染SAR11和SAR116細(xì)菌的噬菌體HTVC010P和HMO-2011。通過(guò)序列組裝，我們得到了兩條分別與玫瑰桿菌病毒Celeribacter phage P12053L和珊瑚白化病原菌病毒Thalosom

9、onas phage BA3基因組結(jié)構(gòu)相似的（近似）完整的基因長(zhǎng)片段。與已發(fā)表的海洋和淡水病毒宏基因組比較分析顯示，相較于淡水環(huán)境來(lái)源，九龍江河口病毒類(lèi)群與海洋環(huán)境來(lái)源的病毒類(lèi)群更為接近，并與其他近岸病毒宏基因組庫(kù)具有14.14±1.68％的基因重疊。
　　4.對(duì)具有重要研究?jī)r(jià)值的典型寡營(yíng)養(yǎng)海域中國(guó)南海表層海水進(jìn)行病毒群落結(jié)構(gòu)和遺傳多樣性研究。結(jié)果表明，南海表層宏病毒庫(kù)中物種數(shù)量約2，700個(gè)，大部分的序列是未知的，只有12.02

10、％的序列同數(shù)據(jù)庫(kù)中已有序列具有相似性?？善ヅ湫蛄幸远涛膊《究凭佣啵凳局虾１韺迎h(huán)境中病毒群落由短尾噬菌體所主導(dǎo)。物種相對(duì)豐度分析發(fā)現(xiàn)，豐度最高的病毒分別是侵染SAR11、SAR116和海洋微型藍(lán)細(xì)菌的噬菌體。交叉比對(duì)結(jié)果顯示，南海表層病毒庫(kù)與其他來(lái)源于河口、近岸及大洋表層病毒庫(kù)的基因相似性為9.34±2.05％。
　　5.通過(guò)宏基因組技術(shù)對(duì)南海和西太平洋深海極端環(huán)境中病毒多樣性進(jìn)行初步研究。結(jié)果表明，82.73-91.84％的病

11、毒序列同數(shù)據(jù)庫(kù)中已有序列沒(méi)有相似性。深海高密度層（1.5-1.7 g mL-1）病毒多樣性高于低密度層(1.35-1.5 g mL-1)病毒多樣性，西太平洋深海病毒多樣性高于南海深海病毒多樣性。除了西太深海高密度層樣品中病毒以短尾噬菌體科為主導(dǎo)，這與環(huán)境中優(yōu)勢(shì)短尾噬菌體Thalassomonas phage BA3占到了較高的相對(duì)豐度有關(guān)，其余深海樣品中病毒均以長(zhǎng)尾噬菌體科為主導(dǎo)。此外，在深海環(huán)境中，病毒傾向于選擇溶源性生存方式。與已發(fā)

12、表海洋病毒宏基因組的聚類(lèi)分析顯示，南海和西太深海病毒庫(kù)聚在一起，二者具有52.67％的基因相似性。
　　6.調(diào)查了波羅的海沉積物垂直剖面中原核生物和病毒的豐度、病毒生產(chǎn)力以及病毒形態(tài)多樣性。研究結(jié)果顯示，波羅的海沉積物中病毒豐度較高，變化值在2.07×108 cm-3-1.83×1010 cm-3之間。在一定范圍內(nèi)，病毒的豐度會(huì)隨著沉積物深度的增加有稍微的上升，在4 mbsf左右達(dá)到最大值，之后，病毒豐度隨沉積物深度增加呈逐漸降低

13、的變化趨勢(shì)。病毒與原核生物豐度比值隨沉積物深度的變化較穩(wěn)定，變化范圍在1.13-2.62之間。沉積物中病毒豐度和原核生物豐度顯著相關(guān)(p＜0.0001)。病毒生產(chǎn)力隨沉積物深度的變化趨勢(shì)與豐度變化基本保持一致。裂解性病毒生產(chǎn)力與總病毒生產(chǎn)力具有顯著差異，說(shuō)明溶源性感染是沉積物病毒的主要生存方式之一。在沉積物中除了觀察到多種典型的有尾噬菌體形態(tài)，同時(shí)還檢測(cè)到絲狀、桿狀、紡錘狀等不同病毒類(lèi)群顆粒，表明深部生物圈病毒形態(tài)豐富。我們的研究表明，