【LorMe周刊】芽孢杆菌形成孢子的进化过程中发生的原噬菌体重组
作者：吴锶杰，南京农业大学硕士在读，主要研究利用噬菌体防治青枯病。
周刊主要展示LorMe团队成员优秀周报，每周定期为您奉上学术盛宴！本期周刊介绍孢子形成选择机制下细菌的生存与噬菌体进化之间的关系。原文于2020年发表在《The ISME Journal》上。
噬菌体是细菌种内多样性的主要来源，也是水平基因转移的驱动力，但目前对这些移动基因元件(MGEs)如何驱动细菌遗传多样性尚不清楚。近期作者发现芽孢形成选择机制会促进枯草芽孢杆菌SPβ原噬菌体内的进化变化，从而导致种群内的直接拮抗作用。实验通过展示枯草芽孢杆菌的SPβ类噬菌体如何在芽孢形成过程中进行重组，为研究以噬菌体为进化驱动力的细菌进化提供了新的模型系统。
在芽孢形成选择机制下进化菌株携带杂交原噬菌体
作者发现枯草芽孢杆菌在休眠芽孢阶段的几代传代都会导致噬菌体颗粒自发释放到培养基中(图1A)。其中一些噬菌体类似于土著SPβ，会杀死原始菌株(图1B)。为了进一步表征释放噬菌体的进化菌株，对三个分离株进行了基因组测序。研究结果表明存在一个外源phi3T样噬菌体，它与SPβ密切相关(图1C)。作者将这个噬菌体命名为phi3Ts。Phi3T和phi3Ts之间的唯一区别是phi3Ts内有一725bp片段(标记为”s”，代表孢子形成)，取代了phi3T的1265bp片段(图1D)。尽管该”s”片段与phi3T或枯草芽孢杆菌168染色体没有同源性，但在来自世界不同地区的6株枯草芽孢杆菌的SPβ原噬菌体中均可发现该片段(图1D)。在进化菌株中，phi3Ts噬菌体要么破坏距SPβ~11 kb的kamA基因，要么与SPβ杂交，使kamA和SPβ之间缺失了~11 kb的片段(图1C)。
图1 在延长芽孢形成选择机制后观察枯草芽孢杆菌原噬菌体序列和整合位点的变化
为了检测哪些噬菌体突变体释放到培养基中，将含有噬菌体的上清液滴在含Δ6菌株(缺失原噬菌体菌株的衍生物)的平板上，然后从单个噬菌斑中纯化噬菌体并测序。结果表明，自发产生的噬菌体是phi3Ts或phi3Ts-SPβ杂交体，从混浊噬菌斑获得的所有噬菌体也可以在进化菌株的基因组内鉴定出来(图1C和2A)。此外，Hyb1phi3Ts-SPβ(由B310 mA释放)的基因组延伸了~1.2kb的宿主染色体片段(yozE、yokU和部分kamA基因)，这表明存在特异性转导，发生在噬菌体在其附着位点附近获取宿主染色体DNA片段时(图1C和2A)。从透明噬菌斑中获得的所有噬菌体均为phi3Ts-SPβ杂交体，且不存在于其相应生产者的染色体上(图1C和2A)，表明它们是毒力phi3Ts-SPβ变体。
图2 在进化菌株中检测到的杂交噬菌体和染色体外的噬菌体DNA片段
芽孢形成选择机制促进外源噬菌体侵染
接着在进化的宿主基因组中确定phi3TsDNA的来源。将来自枯草芽孢杆菌168祖先基因组的原始测序读数重复映射到选定的phi3Ts区域。phi3TsDNA在原始菌株中虽可检测到，但存在水平非常低(图3)。进化菌株B310mA和B410wtB的基因组测序确认phi3Ts整合到了kamA基因座上(图1C)。这些分析说明枯草芽孢杆菌168菌株从一开始就存在低拷贝数phi3Ts，表明激活原噬菌体不仅需要孢子形成选择机制，还需要低拷贝数phi3TsDNA或噬菌体颗粒。
图3 利用原始序列测序定位检测原始枯草芽孢杆菌168中的phi3Ts DNA
图4 kamA在生长和产孢中的作用
图5 phi3T裂解对枯草芽孢杆菌芽孢形成和萌发动态的影响
噬菌体在细菌生态和进化中的重要性是无可争议的。基因组比较表明，原噬菌体在其宿主内普遍被驯化，逐渐失去了通过裂解周期增殖的能力。本实验却出现了相反的情况，即在长期的芽孢形成和复苏选择机制后，枯草芽孢杆菌的原噬菌体SPβ通过与外源噬菌体DNA(phi3Ts)重组重新进入裂解周期。这种拮抗作用出现在噬菌体多样化的早期阶段，表明原噬菌体的形态可能是宿主细菌物种形成的第一步，揭示了细菌的生存策略与其噬菌体进化之间的显著关系。
论文信息
原名：Pervasive prophage recombination occurs during evolution of spore-forming Bacilli
译名：芽孢杆菌形成芽孢的进化过程中原噬菌体重组普遍存在
期刊：The ISME Journal
IF2020：9.78
发表时间：2020.11
通讯作者：Ákos T. Kovács
通讯作者单位：丹麦理工大学