大基因组、宽宿主弧菌噬菌体中的适应性基因组可塑

正文：噬菌体的宿主范围——即它能够感染的宿主种类的多样性——对于理解噬菌体生态学和应用至关重要。尽管大多数已充分表征的噬菌体具有狭窄的宿主范围，但具有广泛宿主范围的噬菌体是海洋生态系统中一个颇具吸引力的组成部分。驱动其广谱性的遗传和进化机制仍知之甚少。在这项研究中，我们分析了来自牡蛎养殖场的Schizotequatroviruses 及其宿主——弧菌属的 Crassostrea 菌株。Schizotequatroviruses 具有广泛的宿主范围、较大的基因组（约 252 千碱基对），编码 26 种转运核糖核酸，并具有保守的基因组结构，其间散布着重组热点。这些重组事件，特别是在编码受体结合蛋白和抗防御系统的区域，突显了它们对宿主抗性的适应性。某些谱系表现出 OmpK 和 LamB 受体之间的受体交换能力。尽管它们具有广泛的宿主范围，但 Schizotequatroviruses 在环境中并不常见。它们的稀少不能归因于以下原因：爆发规模与体外实验中的其他噬菌体相当，但可能源于生态限制或适应性权衡，例如它们倾向于在海水环境中攻击广谱性弧菌，而非牡蛎养殖场中所选择的致病型弧菌谱系。我们的研究结果阐明了影响 Schizotequatrovirus 多样性的遗传和生态变量，并为未来在水产养殖及其他领域应用噬菌体奠定了基础。

结果：

图 1：新分离的Schizotequatroviruses的形态学和基因组差异。（A）使用不同种类的 V. crassostreae 作为宿主所分离的 17 种的 Schizotequatroviruses的透射电子显微镜图像。（B）相对于其他 1000 种噬菌体，这 18 种 Schizotequatroviruses的特征。

噬菌体分离与形态特征

新分离的17株Schizotequatroviruses具有长形头部（~125 nm）和可收缩尾部（~110 nm），形态高度保守（图1A）。基因组大小：~252 kbp，编码349–444个基因和26个tRNA，基因组显著大于其他噬菌体（图1B）。

图 2  最大似然系统发育树与基因组织结构

基因组结构与核心基因保守性

核心基因：285个核心基因家族（占泛基因组的48.6%），功能涵盖结构蛋白、复制和抗防御系统。遗传保守性：基因组排列高度保守，重组热点位于尾部纤维基因区（125–130 kb和195–205 kb）。

重组热点与进化适应性

尾部纤维和抗防御系统区域发生高频重组（9次事件）。核心基因dN/dS<0.4，表明纯化选择主导，重组驱动基因多样性。

图 3 Schizotequatrovirus—Vibrio crassostreae宿主感染热图与PDI指数

 宿主范围与受体多样性

宿主特异性：K566/K567亚支PDI指数高（0.90–0.91），宿主范围较窄；其他噬菌体PDI平均0.68，宿主范围广。

敏感宿主分布：非致病型Vibrio（V6、V7）更易感染，致病型（V2–V5、V8）多抗性。

图4 ：OmpK 和 LamB 受体在Schizotequatrovirus中的作用

图 5 噬菌体 K566 和 K567 编码一种可能识别 LamB 的假定的 RBP（受体结合蛋白）

OmpK：16/18噬菌体依赖OmpK感染（ΔompK宿主抗性，互补后恢复）。

LamB：K566/K567亚支通过重组获得LamB结合能力（结构预测显示RBP与LamB互作界面特异）。

图 6 Schizotequatrovirus的环境丰度及其生命周期动态分析。（A）ddPCR定量环境丰度。（B）吸附率计算为每个时间点的游离噬菌体与输入噬菌体的比率。（C）所指示噬菌体的爆发量大小。

环境丰度与生命周期动态

海水与牡蛎血浆：Schizotequatroviruses丰度显著低于专一性噬菌（图6A）。

吸附速率：1分钟内完成吸附（快速但可能误附非宿主）（图6B）。

裂解量：平均38 ± 27颗粒/细胞，与专一性噬菌体无显著差异（图6C）。

结论：重组驱动尾部纤维和抗防御系统多样化，支持广宿主适应。

受体切换（OmpK→LamB）增强宿主灵活性。广宿主噬菌体在实验室高效，但环境中因宿主密度和防御系统受限。

参考来源：https://doi.org/10.1093/ismejo/wraf063