浮游藻类与噬藻体生态功能及其互作关系研究进展

王子艺， 成亚辉， 张仕颖， 肖 炜， 段红平*

(1.云南农业大学 云南省土壤培肥与污染修复工程实验室，云南 昆明 650201； 2.云南大学 生命科学学院云南省微生物研究所，云南 昆明 650091)

水体富营养化是全球性水污染问题，会引起浮游藻类生物量增加[1]，爆发性生长时容易形成蓝藻水华，其影响范围广、危害严重[2]。浮游藻类通常指生活在水中营浮游生活方式的微小植物，一般不包括细菌和其它植物，其群落结构可在一定程度上反映水体富营养化程度[3]。近年来，水体藻华强度持续增加[4]，藻类可通过降低水体透明度，引起水体有机物聚集消耗溶解氧以及释放藻毒素等危害水生动植物，导致水体生物多样性降低[5-7]，给世界范围内的水生生态系统造成负面影响[8]。

浮游病毒(Virioplankton)是噬菌体(Bacteriophages)、噬藻体(Cyanophages)、真核藻类病毒(Phycovirus)、浮游动物病毒及人类病毒等各种病毒颗粒的总称[9]，其中，噬藻体(Cyanophage)是感染原绿球藻(Prochlorococcus)、聚球藻(Synechococcus)和其它蓝细菌的病毒[10-11]。噬藻体在环境中的遗传多样性极为丰富[12]，可改变宿主代谢和复制影响蓝藻群落结构[13-15]。研究浮游藻类与噬藻体在生态系统中的生态功能以及噬藻体与宿主之间的相互作用关系，对了解噬藻体，并通过噬藻体控制有害浮游藻类具有深刻意义。

1 浮游藻类

1.1 浮游藻类在淡水生态系统中的功能

浮游藻类广泛分布于各种自然水体中，包括真核藻类和原核藻类(蓝藻)，是水生生态系统主要的初级生产者[16-17]，为浮游动物和鱼类提供丰富的饵料[18]，是食物链中最基础且最重要的一个环节。浮游藻类含叶绿素，能进行光合作用，可将大气中的无机碳转化为有机碳，同时释放O2供其它浮游生物所需[19]。真核藻类可通过将溶解的无机碳转化为颗粒状有机碳来调节氮、碳和氧的循环[20]；原核藻类可通过光合作用和固氮作用，在碳循环和气候变化中发挥着重要作用[21]。浮游藻类的种类和数量的变化直接或间接影响其它水生生物的分布和丰度，甚至影响整个生态系统稳定性[22]。

与其它水生植物相比，浮游藻类因其生长周期短、数量众多，对环境变化更为敏感，故其群落结构和生物量变化对水质具有较好的指示作用。沈军等[23]对升金湖中的浮游藻类进行调查发现，水体大部分区域污染程度较为严重，整个湖泊属富营养化范畴。邱昌恩等[24]对黄石磁湖北湖8个采样点分季节进行浮游植物定性、定量调查研究发现，磁湖北湖已处于中度富营养化水平且环境相对稳定。王艳等[25]调查分析辽河辽中段水体中的浮游藻类种类构成、优势度和生物多样性指数，判断该段水体呈轻-中度污染状态。NAVARRETE等[26]通过研究浮游植物多样性、沉积物地球化学和水质发现，菲律宾Palakpakin湖正从富营养化转为重度富营养化湖泊。ZHANG等[27]以Balihe湖检测的浮游生物数据为基础构建生态系统健康评价体系发现，Balihe湖冬季水质最好。因此，浮游藻类可作为监测水环境变化的重要生物学指标。

1.2 环境因素对浮游藻类的影响

浮游藻类生长是水环境中物理、化学和生物因素共同作用的结果，其作用机理较为复杂。王松波等[28]通过分析三峡水库蓄水后库区浮游植物的相关文献发现，水温、流速、光照、营养盐和水体混合层深度是影响浮游植物群落结构变化的主要环境因子。葛优等[29]的研究发现，水温、pH值、溶解氧(DO)、氨氮(NH4+-N)和浊度(Tur)是影响阳澄西湖浮游藻类功能群分布格局的主要因素。

太阳辐射是浮游藻类进行光合作用、合成有机质的唯一能源。光照强度在一定范围内对藻类植物的光合作用起促进作用，其数量随光强增加而呈增长趋势；当光强增加至饱和值时，藻类生长停滞[30]；如果进一步提高光强，则藻类光合作用速率反而随之下降[30-31]。孙晓庆等[31]研究发现，微、小型浮游植物在100%自然光强下生长最快，微型浮游植物在50%自然光强下生长最快。

温度是影响浮游藻类生长的另一个环境因素。不同浮游藻类对温度的适应范围有所不同，大多数浮游藻类最适生长温度为18～25℃，超出耐受范围则会抑制藻类生长[32]。钱志萍等[33]研究发现，铜绿微囊藻和细小平裂藻均能在高温、高光照条件下达到最佳生长状态；黏伪鱼腥藻则只有在低温、低光照情况下才具有竞争优势。TROMBETTA等[34]连续2年对浅海水域浮游植物进行调查发现，水温升高是浮游植物大量繁殖的主要因素。

营养盐是浮游藻类生长的基础，其在水体中的浓度及分布对藻类的种群结构、细胞丰度等具有重要作用。水体氮、磷浓度是藻类生长繁殖的限制参数[35]。董旭辉等[36]对长江中下游45个湖泊的15个水质指标监测发现，总磷是影响硅藻种群分布最主要的环境因子。PIKAITYTE等[37]对Curonian泻湖的浮游植物研究发现，春季磷对浮游植物的影响较大，夏季增氮有利于浮游植物生长。WU等[38]对德国北部的河流研究发现，N、P浓度是控制浮游藻类群落组成的关键因素。冯秋园等[39]对滇池水体研究发现，营养盐是影响浮游植物群落分布的关键因子。

2 噬藻体

2.1 噬藻体在淡水生态系统中的功能

蓝藻(Cyanobacteria)是一种广泛分布于全球各种水体环境中的光能自养型原核生物[40]，噬藻体(Cyanophage)作为特异性感染蓝藻的病毒，同样广泛存在于各类水生生态系统中，其数量丰富，种类繁多，是水生微生物群落的重要组成部分。噬藻体可通过裂解蓝藻造成蓝藻大量死亡，导致水体初级生产力下降，在微食物循环和物质能量循环中具有非常重要的生态学意义；同时噬藻体对蓝藻种群结构的调节和蓝藻进化方向起十分重要的作用，可作为蓝藻水华的生物控制因子。YOSHIDA等[41]研究发现，当铜绿微囊藻数量下降时，噬藻体丰度明显增加，表明二者呈显著负相关。

2.2 噬藻体遗传多样性的主要影响因素

噬藻体具有丰富的遗传多样性，自身和外部环境因素的改变对其多样性均有较大的影响。KELLY等[42]研究发现，噬藻体普遍存在基因增减和变异，如新增来自宿主藻的基因、出现病毒复制相关基因及病毒结构基因变化等，噬藻体基因组的这些结构变化导致噬藻体遗传多样性。CLASEN等[43]认为，噬藻体与宿主藻之间的水平基因转移是导致噬藻体遗传多样性的原因，使之成为含有丰富基因种类的基因库[44-45]。宿主类型的不同导致噬藻体种属和形态的差异，即噬藻体的遗传多样性随宿主的遗传多样性变化而变化，例如利用10株适应强光的原绿球藻(Prochlorococcus)分离出的均为短尾科噬藻体(Podoviridae)，利用适应低光照的原绿球藻分离出的噬藻体超过一半属于肌尾科(Myoviridae)[46]。DEKEL-BLRD等[47]研究发现，从适应强光的原绿球藻中分离的噬藻体，其宿主特异性明显高于从适应弱光的原绿球藻或聚球藻中分离的噬藻体。

噬藻体广泛分布在各种水域中，不同生境噬藻体遗传多样性存在差异。ZHONG等[48]研究发现，河口的噬藻体g20基因组成与海洋不同。WILHELM等[49-51]对淡水湖泊和稻田环境中噬藻体g20基因遗传多样性研究发现，大部分淡水环境的噬藻体g20基因片段单独成簇，与海洋噬藻体群落距离较远，仅部分淡水g20基因片段与海洋噬藻体群落g20基因片段同源性较高。相同的噬藻体也可能存在于不同的生境中，DORIGO等[52]研究发现，布尔热湖中的部分噬藻体在海水中也有分布。

噬藻体多样性还与水体分层密切相关，不同水深中的噬藻体多样性差别明显，叶绿素最高值的深层水体(deep chlorophyII maximum，DCM)噬藻体多样性高于表层水体[53]。ZHONG等[48]对墨西哥湾流不同水层噬藻体的研究发现，DCM中除与表层相同的基因簇外还含有另外3个基因簇，而表层水体没有。WANG等[54]对切萨皮克湾噬藻体多样性的研究中发现了相同的结果，即从表层到DCM噬藻体群落结构发生较大变化，在DCM出现较高的遗传多样性。

噬藻体的遗传多样性呈明显的季节性变化，不同季节噬藻体结构组成不同，一般夏季、秋季噬藻体多样性较为丰富。SANDAA等[55]对挪威近海海域中噬藻体的研究发现，噬藻体遗传多样性呈明显的季节性变化，不同季节水域中噬藻体的优势种群不同。WANG等[54]研究发现，切萨皮克湾噬藻体g20基因多样性夏季高于冬季。

此外，噬藻体的多样性还受到各种环境因素的影响，比如盐度、温度、光照、营养条件等[56]。WILSON等[57]在对大西洋横断面上噬藻体的研究发现，水层结构、光照条件、营养条件等因素影响噬藻体群落结构和多样性。LU等[58]对乔治亚洲3个河口噬藻体遗传多样性研究发现，以聚球藻为宿主的噬藻体丰度随水体盐度的增加而增加，推测可能由于聚球藻噬藻体复制需要一定的盐度，因此盐度可通过影响其宿主的生长而间接影响噬藻体的多样性。LIU等[59]发现，培养的噬藻体在感染期间呈现昼夜节律，一些噬藻体对宿主细胞的吸附依赖于光照，侵染过程中噬藻体的裂解量与光照时间呈正相关。

3 浮游藻类与噬藻体的互作关系

浮游植物在全球碳循环中起着关键作用[60]，噬藻体则控制着整个浮游植物群落的结构，通过调节宿主种群密度、碳和营养物质的循环，以及通过在宿主进化中水平基因转移和基因型选择，在生物地球化学循环和生物间遗传物质的传递和转移中发挥重要作用[61-63]。

病毒引起的细菌死亡是限制和维持蓝藻丰度低于环境资源承载力的重要因素[64]。来自不同样点的1%～3%海洋聚球藻(Synechococcusspp.)含有成熟的噬菌体，而噬藻体对聚球藻的日致死率达5%～14%[58]。对富营养化淡水湖泊的调查显示，病毒裂解对蓝藻的日致死率高达50%[65]。JIANG等[66]测定了伊利湖噬藻体-铜绿微囊藻的相互作用，透射电镜显示该噬藻体属短尾科，PCR鉴定到psbA基因和球形蛋白基因gp58；通过测定藻蓝蛋白和叶绿素a的浓度发现，藻蓝蛋白对宿主藻的生长和光合作用有明显的抑制作用。

噬藻体在与蓝藻相互作用过程中，一方面充当蓝藻水平基因转移的生物媒介，提供新的遗传物质给蓝藻。LINDELL等[67]研究海洋噬藻体-宿主蓝藻的遗传关系发现，海洋原绿球藻与噬藻体间不断进行遗传物质的交换。SULLIVAN等[68]在对108株噬藻体进行交叉感染宿主的研究发现，108株噬藻体中有103株噬藻体产生了相似的宿主范围，表明噬藻体的宿主范围在有选择的侵染宿主时通过DNA修饰改变。另一方面噬藻体从蓝藻基因组中获得部分DNA片段改变自身的遗传物质结构，逃避宿主免疫机制系统从而提高自身生态适应性[69-70]。在噬藻体基因组研究中发现，一系列与宿主细胞功能相关的基因，其中与宿主蓝藻的新陈代谢功能有关的同源基因称为“辅助代谢基因”(Auxiliary metabolic genes，AMGs)[71]，目前大部分已知噬藻体AMGs基因主要参与宿主藻的光合作用、戊糖磷酸循环、营养吸收、DNA合成等代谢活动，其是噬藻体在长期与宿主藻共生裂解等过程中，通过基因水平转移等形成的一套互利互惠的进化机制[71]。JIANG等[72]对新分离的噬藻体S-B05全基因组分析发现，AMGs基因的存在与光合作用、碳代谢、磷同化等相关，系统发育关系反映了噬藻体-宿主藻的相互作用机制。SULLIVAN等[73]在33株已分离噬藻体中发现与宿主共同存在的光合基因psbA，通过构建序列进化树和检测基因中的GC含量，确定检测到的psbA基因来自于蓝藻病毒，推断噬藻体psbA基因是从宿主蓝藻中转移得到，并且噬藻体能介导不同蓝藻种之间的psbA的基因转移。BAILEY等[74]分析侵染聚球藻和原绿球藻的噬藻体S-PM2的基因组序列发现，噬藻体编码关键光系统II反应中心多肽D1和D2的同源性，能够保护其宿主免受急性光抑制对其细胞完整性的伤害，从而确保复制的能量供应。HUANG等[75]在噬藻体S-CBS2中发现蓝藻细胞中保护光合器官免受光损伤的hli基因，同时在感染周期中发现了噬藻体hli基因的表达，这在自然环境中体现了宿主-病毒间的互利关系。

自然界中，宿主蓝藻的大量繁殖为噬藻体提供了丰富的宿主来源，利于噬藻体在其细胞内增殖，促进病毒-宿主间的协同进化。噬藻体存在丰富的独特基因资源，60%以上的基因序列与已知病毒序列存在较大差异，而与宿主基因之间存在较高的同源性[76-78]。GAO等[76]新分离的无尾噬藻体PaV-LD基因组中携带蓝藻NblA同源基因，该基因通常只存在于蓝藻中，是藻胆体蛋白降解的关键基因，在感染宿主丝状蓝藻后，使得蓝藻细胞由蓝绿色变为黄绿色，细胞中藻胆体蛋白含量显著下降。YOSHIDA-TAKASHIMA等[79]发现，肌尾科噬藻体Ma-LMM01中也存在编码类似宿主NblA的同源基因nblA，鉴于其在噬藻体侵染过程中高度转录，推测噬藻体nblA基因通过在侵染过程中防止光抑制宿主藻，为噬藻体提供适宜的侵染条件。噬藻体nblA基因可能是宿主藻-噬藻体间协同进化的产物。

然而，噬藻体并无法将宿主藻类全部裂解，某些藻类细胞会对这些噬藻体产生“抵抗力”，而与噬藻体共存。绝大多数宿主基因的转录水平在噬藻体侵染后很快下降，但仍有一些基因的转录水平上升或保持稳定。进一步的研究表明，宿主藻反应基因在噬藻体侵染过程中发挥功能，部分是为了防御侵染，部分则由噬菌体介导促进侵染[80]。研究发现，蓝细菌已开发出多种针对外来DNA的防御机制，包括物理屏障(自然感受态和胞外多糖)和遗传屏障(限制性修饰系统：Restriction-modifi cation systems，简称RM系统和CRISPR噬菌体免疫系统：CRISPR phage immunity system)[81]。胞外多糖的组成和数量在蓝藻中并不均匀，可能受到光照、温度、养分等环境因素的影响。许多研究认为，RM系统是细菌对抗外源DNA入侵的最典型的防御机制[82]。WANG等[83]研究发现宿主藻存在有4种RM蛋白可能在噬藻体侵染中发生防御作用。研究表明[84]，CRISPR位点广泛分布在蓝藻基因组中，在CRISPR间隔物与相应的噬菌体基因组同源时，细菌CRISPRs可以防御噬菌体侵染[85]，即利用CRISPRs作为工具能够阐明噬菌体-细菌相互作用及生态系统中微生物和病毒种群共同进化的动态信息。

在自然界中，存在着影响病毒-宿主种群相互作用的因素。BARNET等[86]研究发现，淤泥的加入抑制了噬藻体LPP-DUN1对宿主藻(Plectonemaboryanum)的裂解，推测水体中的胶状物质(包括粘土和有机颗粒等)影响噬藻体-宿主蓝藻之间的相互作用。WANG等[54]对切萨皮克湾噬藻体-宿主藻(聚球藻)的研究发现，不同环境条件下噬藻体对聚球藻的致死率不同，在干旱时较高，降雨时较低，推测环境梯度的差异会影响宿主的组成进而影响病毒对宿主种群的影响。温度、pH、磷酸盐等环境因子同样影响噬藻体-宿主藻的相互作用。噬藻体AS-1在35℃时裂解量高于24℃；pH值降低，聚球藻WH7803数量减少，导致噬藻体增殖效率降低[5,87]。ZENG等[88]研究发现，噬藻体可以通过在磷限制的环境中影响宿主藻对磷的获取而获得适应性优势，其中噬菌体编码的高亲和力磷酸盐结合蛋白基因(pstS)和碱性磷酸酶基因(phoA)均为宿主同源基因，当噬菌体感染磷饥饿的宿主细胞时转录升高，进一步研究发现，这些基因的转录是由宿主PhoR/PhoB系统调控，即通过宿主的营养限制来调控裂解噬菌体基因，揭示了噬菌体-宿主和环境共同进化的新思想。WILSON等[89]研究发现，缺乏磷酸盐导致聚球藻WH7803生长速率降低，噬藻体S-PM2裂解量减少80%。

4 展望

随着水体富营养化日益严重，引起浮游藻类大量繁殖，水质恶化而丧失其功能。现有研究表明，浮游病毒在控制浮游藻类数量上具有重要作用，其中噬藻体在调控蓝藻水华生消中潜力巨大。充分了解浮游植物和噬藻体的相互作用，可以更好地理解水生系统中藻类水华的形成和终止，从而有效地保护水资源。

国内对于浮游藻类的研究主要依赖于传统的显微镜技术，缺乏对浮游藻类多样性的研究报道，对于浮游藻类与噬藻体的互作关系的研究相对薄弱。浮游藻类和噬藻体多样性的研究主要是以数据库中已知的遗传信息为背景，但目前获得的藻类和噬藻体全基因序列比较少。要获得其全基因组信息需要利用传统的分离纯化方法，由于现有微生物分离培养技术的局限，同样在某种程度上限制噬藻体与宿主藻之间相互关系的研究。未来可结合分子生物学技术从基因水平探究藻类与噬藻体的相互作用模式及其环境影响，并利用免培养技术获得的信息为藻类和噬藻体的纯化分离提供依据，以更好地理解宿主-病毒系统的生态意义，为富营养水体藻类水华治理提供理论依据。