东北地理所旱地黑土T4型噬菌体研究取得突破

2011-6-09 16:03 来源: 中国科学院
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不同生态环境下T4型噬菌体群落分布特征的Unifrac分析

  病毒是地球上数量最多的生命体,在控制寄主群落演替、遗传基因的水平移动、生物进化和地球生物化学循环中起到重要的作用。细菌病毒(噬菌体)数量上一般是细菌的10倍左右,被认为是地球上数量最多的病毒类型。尽管噬菌体广泛存在,但与具有细胞结构的微生物相比,对其基因多样性研究甚少。究其原因,一方面传统噬菌体研究依赖于分离培养,但环境中的细菌大多数尚处于难培养状态,限制了噬菌体的获得;另一方面也与噬菌体基因中没有发现诸如像原核生物16S rDNA和真核生物18S rDNA中存在共有的保守序列,用于通用引物设计有关。但最近研究发现,噬菌体某些家族的结构或功能蛋白质氨基酸片段序列高度保守,利用这些保守片段氨基酸序列设计引物,可以直接PCR扩增出不同噬菌体家族基因序列,用于噬菌体生态学研究。其中编码噬菌体主要壳蛋白的g23基因被认为是研究T4型噬菌体基因多样性和群落结构的重要分子标记基因。

  自从2005年法国科学家首次采用兼并性引物MZIABis和MZIA6,从海水中直接PCR扩增出g23基因,建立了5个海洋新类群以来,先后有多国学者对稻田土壤和田面水、湖泊水体等环境条件下的T4型噬菌体基因组成开展了研究工作,并建立了多个基于不同生态环境下的T4型噬菌体新类群。尽管采用PCR技术从稻田土壤中已经获得了大量的g23基因,但2008年美国学者撰文指出,他们采用PCR技术未能从旱地土壤中获得g23基因,认为从稻田土壤中获得g23基因的结果很难认同为是针对纯粹土壤环境的研究,原因在于稻田长期有水层存在,与海洋具有相似的水环境特征。

  中科院东北地理与农业生态研究所王光华课题组在前期研究稻田土壤T4型噬菌体g23基因基础上,针对海伦农业生态实验站的不同施肥方式的定位实验土壤样品,以及从7个不同纬度黑土农田采集的土壤样品,进行了T4型噬菌体g23基因研究工作,成功地获得了152条噬菌体g23基因。研究发现,旱地黑土农田g23基因分布与其在海洋和湖泊水体环境中完全不同,与稻田环境相近,但也有多个新的黑土类群存在。采用Unifrac方法分析不同环境条件下的T4型噬菌体群落结构发现,T4型噬菌体在陆地生态系统较海洋环境分布广泛,表明陆地生态环境中具有丰富的噬菌体基因资源;另外,T4型噬菌体在稻田和旱地黑土中群落结构差异明显,且其在东北稻田与东北旱地黑土中分布相对较近的研究结果,说明在陆地生态系统中,T4型噬菌体群落结构受到地理环境和生态过程的双重影响。

  该研究得到中科院“百人计划”项目和国家自然科学基金的资助。研究成果先后发表在Biology and Fertility of Soils (2011, 47:273-282)和Soil Biology and Biochemistry (2011, doi:10.1016/j.soilbio.2011.05.005)等国际期刊上。