珊瑚共生微生物与噬菌体相互作用研究取得新进展
全球变暖导致海水温度的升高对全世界的珊瑚礁构成重大威胁。海水升温致使珊瑚共生微生物群落结构和功能改变，珊瑚条件致病菌趁机爆发，引发珊瑚疾病。珊瑚益生菌可以有效增强珊瑚对热胁迫的耐受性，从而延缓珊瑚热白化进程。中国科学院南海海洋研究所王晓雪团队围绕造礁珊瑚丛生盔形珊瑚的益生菌和条件致病菌深入研究，取得了一系列新的研究进展：
1. 在珊瑚益生菌盐单胞菌（Hm43005）中鉴定到一种新型温和噬菌体Phm3，并详细解析了温和噬菌体Phm3复制、裂解和释放过程的新机制。这一类噬菌体的诱导激活遵循“复制-包装-切离”（Replication-package-excision,RPE）的途径，这种切离前的复制途径赋予了噬菌体扩增并包装宿主侧翼基因进行侧向转导的能力，并且这种侧向转导的效率显著高于普遍性转导。此外，四个裂解基因组成的裂解模块调控该类噬菌体的裂解，Phm3噬菌体裂解宿主的同时会诱导细胞产生外膜囊泡OMV，形成独特的具有侧向转导能力的噬菌体“搭载”OMV的复合形式（图1）。这类温和噬菌体在海洋生态系统中分布非常广泛，其介导的侧向转导可以在珊瑚礁生态系统和海洋生态系统中发挥重要的生态作用（图1）。相关研究成果以“Active prophages in coral-associated Halomonas capable of lateral transduction”为题，于2024年5月13日在线发表于《The ISME Journal》。中国科学院南海海洋研究所博士刘自尧为论文第一作者，研究员王晓雪和副研究员汤开浩为论文的共同通讯作者。
图1. 嗜盐单胞菌噬菌体的侧向转导功能及其搭载OMV影响珊瑚共生菌群的组成
2. 在珊瑚益生菌盐单胞菌（Hm43005）中发现新型噬菌体防御系统。在噬菌体与珊瑚共生细菌的军备竞赛过程中，细菌演化出高度多样的噬菌体防御系统以应对噬菌体侵染压力。Hm43005具有广谱的抗噬菌体能力，本研究从Hm43005中鉴定到一种新型噬菌体防御系统-Hma。该系统由单基因hma构成，hma编码融合Swi2/Snf2解旋酶的核酸酶HmaA，该核酸酶可以通过流产感染的方式发挥抗噬菌体的能力。突变分析显示HmaA核酸酶结构域（属于PDD/EXK超家族）的缺刻酶活性在噬菌体防御中至关重要。此外，HmaA同源物广泛分布于珊瑚共生细菌的基因组上，表明这种防御系统可被应用于设计具有高噬菌体抗性的珊瑚益生菌制剂（图2）。相关研究成果以“A nuclease domain fused to the Snf2 helicase confers antiphage defence in coral-associated Halomonas meridiana”为题，2024年7月9日在线发表在生物学期刊《Microbial Biotechnology》。中国科学院南海海洋研究所博士刘天朗为论文的第一作者，研究员王晓雪为论文通讯作者。
图2. 嗜盐单胞菌（Hm43005）中新型抗噬菌体基因Hma
3. 受国际知名生物领域学术期刊《PLoS Biology》邀请，结合近年来课题组对珊瑚条件病原菌的研究进展和同期发表的Mass等对珊瑚病原菌T6SS系统的工作，发表了评述文章。文章对温度依赖的珊瑚条件病原菌在温度升高的条件下，突破珊瑚宿主和共生细菌的免疫屏障的机制进行了总结和展望。Mass等人发现当海水温度升高时，溶珊瑚弧菌可激活两套自身编码的六型分泌系统，其中T6SS1携带靶向原核生物的效应蛋白，可用于杀死栖息在同一生态位的其他共生菌；而另外一套则携带靶向真核生物的效应蛋白，可用于抵抗珊瑚宿主的免疫系统（图3）。该评论文章题为“High temperatures increase the virulence of Vibrio bacteria towards their coral host and competing bacteria via type VI secretion systems”，9月5日在《PLoS Biology》期刊正式发表。中国科学院南海海洋研究所博士后王伟权为论文的第一作者，研究员王晓雪为论文通讯作者。
图3. 海水温度升高激活溶珊瑚弧菌编码的两套T6SS系统
以上研究对珊瑚致病菌的致病机理，以及开发珊瑚益生菌制剂提供了科学依据。研究同时也为维护珊瑚礁生态系统的健康提供了新的科学视角，具有重要的科学价值和生态意义。工作得到国家自然科学基金委基础科学中心项目、国家自然科学基金、国家科技部科技基础资源调查专项、博新计划等项目的资助。
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中国科学院南海海洋研究所
