噬菌体-原核生物共存策略介导对虾肠道和养殖池塘沉积物中的微生物群落多样性

  摘要：有研究表明，在不同的环境中，噬菌体与原核生物的相互作用驱动着不同的生态过程，具有不同的噬菌体生命策略。本研究探索了凡纳滨对虾肠道中和对虾养殖池塘生态系统中养殖沉积物在四个培养阶段的病毒和原核生物群落概况，以阐明噬菌体-原核生物相互作用在调节微生物群落中的贡献。本研究还揭示了噬菌体-原核生物相互作用在调节微生物群落多样性方面的独特模式，从微生态学角度拓展了对水生生态系统噬菌体-原核生物共存策略的认知，为对虾养殖健康管理的微生态防治提供了理论支持。

  一、实验结果

  1、对虾肠道和沉积物中的原核生物群落在4个培养阶段存在差异

  对虾出生后第15天被放入养殖池塘。实验在对虾幼体引入池塘后的第15天至第60天，每15天从3个虾养殖池采集3个重复肠道样品和3个重复沉淀物样品。Venn图分析显示，虾肠道与沉积物之间共有560个原核扩增子序列变异体ASVs(图1A)。变形菌门和拟杆菌门是最丰富的原核类群，在虾肠道和沉积物中都有发现(图1B)。在属水平上，虾肠中以Vibrio、Formosa、Aurantisolimonas和Shewanella为主，沉积物中以Formosa、Aurantisolimonas、Algoriphagus和Flavobacterium为主(图1C)。虾肠Shannon指数显著低于沉积物Shannon指数(图1 D)。样品间原核生物的总体组成是存在差异的(图1 E)。

  图1 虾肠和沉积物原核群落的比较分析

  2、虾肠道和沉积物中的病毒群落在四个培养阶段存在差异

  通过对reads的组装，共得到6622个contigs。虾肠与沉积物之间共有2233，575个和681个contigs(图2A)在不同培养阶段。这些病毒序列可以被划分为28个不同的病毒科。(图2B)。除IA1、SC2和SC3外，噬菌体是大多数样本中最常检测到的病毒(图2C)。与沉积物相比，虾肠道的病毒多样性显著降低(图2D)，而在虾肠和沉积物中，病毒组成无显著差异(图2E)，4个养殖阶段之间也没有显著差异。

  图2 虾肠和沉积物之间病毒群落的比较分析

  3、噬菌体群落与原核生物群落密切相关

  本实验构建了基于Spearman相关的共现网络，分析了噬菌体与原核生物之间的关系。在虾肠和沉积物共现网络中大部分连接为噬菌体内连接。虾肠道中，9.05%的噬菌体与原核细胞之间存在连接，2.26%的原核与原核细胞之间存在连接(图3A)。沉积物中有23.47%的噬菌体与原核细胞连接，11.08%的原核与原核细胞连接(图3B)。此外，Procrustes分析显示，噬菌体群落和原核生物群落在虾肠和沉积物中均存在显著关联(图3E、F)。以上数据表明，噬菌体群落与原核生物群落密切相关。

  图3 虾肠和沉积物中微生物群落的相关性分析

  4、噬菌体-宿主相互作用

  虾肠中预测频率最高的宿主是霍乱弧菌，而沉积物中预测频率最高的是鲍曼不动杆菌。此外，这些重叠群中的大多数与一个特定的原核生物属有关，只有9.87%的重叠群与两个或多个原核生物属有关(图4)。根据CRISPR-Cas的系统分析结果，可以推断共生噬菌体和原核生物之间存在共生关系。

  图4 病毒的宿主预测

  为了进一步研究噬菌体-宿主相互作用对微生物群落的影响，构建了一个基于Spearman相关性的共生网络，分析了原核生物和病毒相对丰度的关系(图5和图6)。结果表明在虾肠道微生物群落中和沉积物微生物群落中噬菌体(种水平)和原核生物(属水平)的相对丰度显著。

  图5 虾肠中噬菌体和原核生物的相互作用分析

  图6 沉积物中噬菌体和原核生物的相互作用分析

  三、结论

  综上所述，噬菌体在病毒组成中起主要作用，噬菌体群落与原核生物群落密切相关。此外，噬菌体-原核生物的相互作用可以直接或间接地调节微生物群落的组成和功能。噬菌体和原核生物的共存策略介导了虾养殖池塘生态系统虾肠道和沉积物微生境中的微生物群落多样性。这些发现从微观生态学的角度扩展了对水生生态系统噬菌体-原核生物共存策略的认知，为对虾养殖健康管理的微生态防治提供了理论支持。

  参考文献：Deng Zhixuan,Zeng Shenzheng,Zhou Renjun,Hou Dongwei,Bao Shicheng,Zhang Linyu,Hou Qilu,Li Xuanting,Weng Shaoping,He Jianguo,Huang Zhijian. Phage-prokaryote coexistence strategy mediates microbial community diversity in the intestine and sediment microhabitats of shrimp culture pond ecosystem [J]. Frontiers in Microbiology,2022,13.