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沈陽生態(tài)所在噬菌體驅(qū)動微生物表型異質(zhì)性研究中取得重要進展
微生物是全球生物地球化學循環(huán)和生態(tài)系統(tǒng)功能的重要驅(qū)動者。雖然基因型一致的群體在相同環(huán)境條件下常表現(xiàn)出代謝功能差異，這種“表型異質(zhì)性”現(xiàn)象在生態(tài)學中已受到關(guān)注，但其主要驅(qū)動因子尚不清楚。噬菌體作為地球上數(shù)量最龐大的生物實體之一，在感染過程中不僅造成宿主死亡，還會通過水平基因轉(zhuǎn)移、代謝重編程等方式塑造微生物群落結(jié)構(gòu)。然而，噬菌體如何在單細胞層面產(chǎn)生并放大這種異質(zhì)性，以及對生態(tài)系統(tǒng)過程的具體貢獻，仍是當前亟待解決的科學問題。
針對這一科學問題，中國科學院沈陽應用生態(tài)研究所“環(huán)境污染過程與效應創(chuàng)新組群”梁小龍研究員團隊從機制、生態(tài)和方法學三個層面進行了深入綜述。在機制層面，闡述了噬菌體在裂解與溶原兩種生活史策略下，通過調(diào)控宿主基因表達、整合或切除前噬菌體、以及攜帶并表達輔助代謝基因(AMGs)，在群體內(nèi)產(chǎn)生不同的代謝狀態(tài)和表型差異。生態(tài)層面指出噬菌體誘導的異質(zhì)性不僅影響宿主種群動態(tài)和群落穩(wěn)定性，還通過“病毒旁路效應”(viral shunt)、營養(yǎng)循環(huán)調(diào)控和有機碳穩(wěn)定等途徑，深刻作用于碳、氮、磷等元素循環(huán)過程。方法學前沿展望中，強調(diào)單細胞分辨率的新技術(shù)(如NanoSIMS、單細胞拉曼光譜、BONCAT-FISH、微流控追蹤等)為揭示噬菌體驅(qū)動的單細胞代謝變異提供了新工具，有望推動微生物生態(tài)學和生物地球化學研究進入“病毒—單細胞互作”新階段。
該研究明確提出噬菌體驅(qū)動的表型異質(zhì)性不僅是微生物生態(tài)學中的普遍現(xiàn)象，更是塑造群落功能與生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的核心機制。未來將這一機制納入生態(tài)模型與碳循環(huán)模型，對于提升全球變化背景下的生態(tài)系統(tǒng)功能預測能力具有重要意義。研究成果以Bacteriophage-driven microbial phenotypic heterogeneity: ecological and biogeochemical importance為題，發(fā)表在發(fā)表在 npj Biofilms & Microbiomes 期刊。中國科學院沈陽生態(tài)所梁小龍研究員為第一作者和通訊作者，賈永鋒研究員為共同通訊作者。該研究得到了國家自然科學基金、森林生態(tài)與保育重點實驗室、遼寧省優(yōu)秀青年基金等資助。
圖1. 噬菌體復制過程及其對微生物表型異質(zhì)性的影響
圖2. 噬菌體感染介導微生物表型異質(zhì)性
圖3. 噬菌體導致宿主表型變異的示意圖
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