噬藻体和蓝藻间的基因转移及协同进化作用

噬藻体和蓝藻间的基因转移及协同进化作用 Liu Tengteng Liu Li Wei Daqiao Xia Xueshan ( Faculty of Life Science and Technology，Kunming University of Science and Technology，Kunming 650224) Abstract: Horizontal gene transfer betweenll s c aned individuals or species were widely found in bacteria，archaea and eu- karyotes, Horizontal gene transfer may cause tshpee cies fast co-evolution at the samen veironment, Cyanophagies the specifical virusthat infects cyanobacteria which play a key role in eliminating algal blooms, This paper mainly reviewed the horizontal gene transfebre - tween species and the virus-host co-evolution causedb y gene transfewr h ich mainly mediated by target genes，such pahsot osynthesis genes，structural genes，and the research prosrect werorep osped, Key words: Horizontal gene transfer CyanophagCye ano bacteria Co-evolution 、。生物物种间的遗传物质的转移和传递一直以来是叶绿体线粒体及细胞核等水平基因转移的最 ，都是生命科学研究的热点之一这些研究不仅可以 早证据是抗生素的广泛使用后的抗性基因的快速扩 ，。，揭示基因转移对生物进化的作用而且还能促进物 散最近研究者通过比较原核生物的基因组序列 。( Eschercha co) 24% ，iili种间的遗传多样性的研究生物物种间的基因转移 中 的基因 信息发现大肠杆菌,2,: 。 一般分为两种类型垂直基因转移和水平基因转移。信息是通过水平基因转移而来 垂直转移是指有性繁殖或无性繁殖中上一代的遗传 、由于垂直基因转移主要是指由父传子子传孙 ，物质传递到下一代垂直基因转移是通过传递物种 DNA ，，的 传递方式遗传物质传递比较稳定而水平 。的整个基因组而使下一代获得物种遗传水平基因 DNA 基因转移是指生物从其生境中获得外源 的过 ,1,，，，转移又称侧向基因转移是指在差异生物个体 程它既可以通过自然选择获取也可以通过人为改 ，，，之间或单个细胞内部细胞器之间所进行的遗传物 造获取主要发生在不同的生物物种之间从而引起 ，。质的交流差异生物个体可以是同种但含有不同的 了生物物种的遗传多样性近年来水平基因转移得 ，，遗传信息的生物个体也可以是远缘的甚至没有亲 ，缘关系的生物个体单个细胞内部细胞器主要指的 ，，，到了越来越多的关注具有较高的研究意义同时 ，随着淡水湖及海洋中蓝藻水华的频繁出现噬藻体 收稿日期: 2011-01-03 : ( 30960005) ，( 2009ZC044M) 基金项目国家自然科学基金项目云南省自然科学基金项目 : ，，，: ; E-mail: liutengstar@ 163, com 作者简介刘腾腾男硕士研究生研究方向分子病毒学: ，，，E-mail: Liuli2272@ 163, com通讯作者刘丽副教授硕士生导师 ,7, ，、与其宿主蓝藻之间的基因转移与协同进化也倍受关真核生物中很少发生转化接合和转导等现象。，注现主要讨论生物体间的水平基因转移现象以 。真核生物基因水平转移的方式更加复杂对于真核及广泛存在于噬藻体和其宿 主蓝藻之间的基因 ，。生物基因水平转移的机制目前知道的还很少但 。转移 ，、、是真核生物中供体和受体的生活习性地理分布 1 进化历史等可以帮助我们揭示水平基因转移是如何物种间的水平基因转移 ，，发生的不同的物种之间的病毒转染共生生物的直 物种间水平基因转移主要是由移动基因元件 ，接接触以及宿主寄生关系等都为水平基因转移提 ( mobile gene leement) ，或这些元件的组合称之为水。供了可能 ，平基因池介导进行的这些移动基因元件主要包括 ,3,,4,，到目前为止最易于被人们接受的真核水平基 ( IS ) 、( transposons ) 、插入序列 转座子 整合子 ,5,因转移的方式是宿主和与其寄生的生物通过相互接 ( integrons) 、( transferable plasmids) 、 可转移质粒 ，、、,3,触实现基因水平转移或借助病毒细菌螨虫和昆 ( genomic islands) ( phage)。 基因岛和噬菌体由于 ,8,。1985 ，Ta- 虫等载体来实现基因的水平转移年，移动基因元件不具有种间或基因组间的特异性所 ,9,kahashi，通过碱基序列分析发现仓鼠的内源反转 。以能在不同物种间进行广泛转移 IAP gag po l录病毒 编码的两个基因 和 的核苷酸序 1, 1 原核生物中的水平基因转移E 列与仓鼠免疫球蛋白 结合因子基因的核苷酸序 由于对原核生物中的基因水平转移现象研究较 72% ，列编码区相似性高达 推测免疫球蛋白结合因 ，早因此人们对原核生物中基因水平转移的方式和 ，子基因是一个病毒起源的杂合基因明该病毒基 ，机制了解的也比较清楚其水平转移方式主要有转 IAP 因通过内源反转录病毒 的反转录转移到了仓鼠 、。化接合和转导，中可见反转录病毒作为基因水平转移的载体在生 转化是指受体菌不需要任何载体介入直接摄取 ,10,。1999 ，Jordan 物进化中起着重要的作用年等报 DNA ，，供体菌的 片段从而得到新的表达性状是生 copia 道了 反转录转座子从黑腹果蝇中通过水平转 。物在进化中早期获取外源基因的主要途径早在 ，移进入到另一种果蝇中并且指出寄生螨虫和昆虫 1943 Avery DNA ，年等就发现有毒肺炎双球菌的 与 。病毒可能是发生基因水平转移的介质 无毒肺炎双球菌共培养后产生有毒性的肺炎双球菌 1, 3 内共生理论，。DNA 后代的转化现象这是自然转化但 进入细胞 ，的效率很低在分子生物学和基因工作中通常 1883 Schimper ，，年最先提出了内共生理论内 ，。，使用感受态细胞从而提高转化效率例如大肠杆 ，、共生假说认为真核生物的线粒体叶绿体等细胞器 CaCl，，菌经冰冷 的处理后成为感受态细菌当加入 2 。起源是内共生于真核生物细胞中的原核生物已有4? 42? ，重组质粒并突然由 转入 作短时间处理质 DNA ，。粒 便能进入细菌提高了转化效率 ，接合是以细菌的性菌毛为中间介质将遗传物 ,11, ，、，大量证据表明 在生物进化过程中 植物线粒体。质从供体菌转移给受体菌转导是以温和噬菌体为 ，DNA ， 载体将供体菌的一段 转移到受体菌内从而 叶绿体等细胞器的大量基因是通过水平转移进入到 ,12, 。使受体菌获得新的性状转导可以在多种细菌中发 ，Kondo。在研究甲虫的时候发现沃尔细胞核中 ，、生在陆生环境水生环境和动植物体内等各种条件 11 kb DNA 巴克式体通过内共生关系将自身 的 片，，下均可发生以噬菌体为载体显示了原核生物已经 X 。段转移到昆虫宿主绿豆象的 染色体上虽然这 能够通过特定的载体实现不同生物个体之间基因的 ，些机制已在水平转移研究中得到广泛的应用但是 ,6,，，交流整合加快了生物适应环境的能力促进了 这些机制并不能解释所有真核生物之间的基因水平 。不同生物物种间的协同进化 ，转移现象因此有些科学家提出了另外一些可能机 ，制来解释基因水平转移现象如亲缘关系较远的被 子植物间通过花粉进行的远缘杂交来实现基因水平 ，DNA 转移某些生物通过摄取土壤中裸露的 进行基 1, 2真核生物中的水平基因转移 ，， 和沟通如果时间足够长物种之间的差别将逐渐缩，来代替蓝藻中相同作用的基因从蓝藻中获得的 DNA 或者噬藻体总的基因库中的基因交换反过来 ，。小从而产生协同进化现象水平基因转移跟生物 。影响噬藻体的进化 ，所处的环境有关处于逆境下的生物易于接受外界 噬藻体与宿主蓝藻的新陈代谢和生命循环有密 DNA，，使其能够更快的适应变化的环境基因水平转 ，。切的联系对生态环境和蓝藻有重要的影响溶源 ，移发生在不同物种之间同时也增加了物种的遗传 ，。性或非裂解性噬藻体感染蓝藻后其基因将与蓝藻 多样性 ，， 2 的基因组发生整合并随着蓝藻细胞一起进行复制噬藻体与蓝藻间的水平基因转移 ，，随着我国经济的发展人类活动增加水体富营 ，在选择压力作用下噬藻体通过与蓝藻细胞基因组 ，养化程度和蓝藻水华发生日益严重因此水华生物 进行整合的方式与蓝藻基因组发生持续的遗传物质 ，防治工作十分紧迫而蓝藻作为引起水华的主要研 ，，交换进行基因转移从而获得了更大的遗传差异和 ，究对 象是地球生物合成初级生产力的主要成 ，宿主抗性来逃避蓝藻的免疫机制系统这样就促进 ,14,，，员与其寄生病毒噬藻体的遗传多样性的研究具 了噬藻体和蓝藻的协同进化而且这种基因传递对 。生物种群多样性以及遗传多样性的研究有重要意 有较大应用意义通过研究噬藻体与蓝藻之间的基 ，。，，因转移来寻找噬藻体中广泛的标记基因探索噬藻 义当噬藻体逃避蓝藻的免疫机制感染蓝藻后就 ,15,,17, ，。Fuhrman，体和蓝藻之间的协同进化机制利用噬藻体作为 有可能导致蓝藻死亡指出噬藻体等 10 。防治蓝藻类水华的有效生物调控因子 10/ mL ，病毒在海洋表层水体中的浓度达到 时能 ，，蓝藻又称蓝细菌是一类个体微小的光合自养 造成海洋细菌和蓝藻的高致死率而使初级生产力 ，，原核生物噬藻体是蓝藻的专一性病毒大量的噬藻 。下降 ，体能在不同的时间和空间范围内感染蓝藻噬藻体 许多学者在进行噬藻体中常用靶标基因的研究 DNA ，是一种双链 病毒属于三种形态界定的病毒家 : ( Podoviridae) 、( Myoviri- 族短尾病毒科肌尾病毒科 ，，时发现噬藻体是蓝藻基因水平转移的重要执行者dae) ( Styloviridae) 。，和长尾病毒科迄今为止研究 ，噬藻体能编码靶标基因并在蓝藻中表达这些基因者取得了噬藻体生物学特性以及与宿主相互关系的 ，的表达保证了病毒复制过程中的能量供应从而增 ，。 成果但有关噬藻体遗传多样性的报道还不是很多 。加了噬藻体在蓝藻中的适应性 ，噬藻体是高度差异性的病毒类群缺乏广泛的遗传 。，标记随着研究的深入研究者发现肌尾病毒科噬 2, 2噬藻体与蓝藻基因转移中常见的靶标基因 2, 2, 1 psbA ps-光合作用基因 光合作用基因 和 ,18, bD ，基因是叶绿体基因组中重要的光调控基因 ( PSD1 D2 ，，分别编码光系统?反应中心的的 和 蛋白源的而且它具有高度保守性可用作研究噬藻体遗 ，。是能够进行光合作用的物种因此光合基因可作为 传多样性的分子标记 ,22,) 。，蓝藻株系之间的鉴定依据随后研究发现它们 Short Suttleg20 和 也针对噬藻体 基因设计了 ，具有一定的保守性而且噬藻体能运载和表达光合 G20-2，新引物 同时结合变性梯度凝胶电泳技术对 ，作用基因因此通过研究光合基因可以作为研究噬 PCR 。，产物进行快速分析相比形态学研究用分子 。藻体多样性的辅助 生物学方法研究得知的噬藻体有更为广泛的多样 ，、、光合作用基因在噬藻体和其宿主蓝藻中的基因 性群落结构受到坡度光营养盐以及宿主群落结 ，转移主要是水平基因转移噬藻体是海洋蓝藻中的 。，构影响然而在温度和盐度差别很大的海域中发 ,23,，水平基因转移的重要因素而蓝藻是海洋中主要的 99% ，现有高于 的相似序列在深海中也发现了 ，光合作用生物一些噬藻体携带并表达和蓝藻具有 ，扩增产物这些结果说明宿主和病毒在海洋环境中 ，同样作用的基因在噬藻体感染蓝藻的时候很可能 的广泛分布是由于基因在不同环境之间发生了水平 ，会增强蓝藻的光合作用机制引起蓝藻的光合作用 。机制进化为了研究这种现象的存在和它的进化形 ，，转移分析表明海洋噬藻体有很广泛的基因多样性,19,，Sullivan 33 态等培养了 种不同基因家族和宿主 psbA、psbD g20 ，与 基因不同噬藻体 基因同源相关，II psbA 范围的噬藻体用来寻找光系统 中心基因 ，性在地理分布上并无明显差异在生物遗传多样性 psbD 88% ，和 的存在结果发现 的噬菌体的基因组 。的研究方面有着十分重要的作用 psbA，50% psbA psbD。含有 含有 和 几乎所有能编 ,24,2, 2, 3 MazG MazG基因 是细菌中的焦磷核苷 psbA psbD 码 和 的噬藻体都可以扩大它们的宿主范 ，，酸水解酶起到调节营养压力应激的作用是控制细 ，围噬藻体感染蓝藻时间的长短也能决定噬藻体基 。S-PM2 胞程序性死亡的一个调控因子噬藻体 是 psbA 。，因组中 的存在与否另外在不同的蓝藻的光 ,25,Bryan 等从英吉利海峡中分离得到的一种属于肌 ，psbD 合作用中心噬藻体是否携带 会影响噬藻体和 ，，病毒科的噬藻体可以感染海洋中的聚球藻它的基 psbA-psbD 。宿主编码的 的偶联约束通过对这些噬 196 kb，239 ORFs 20 因组约 个 中有 个与聚球藻基 ，藻体的基因系统分析在进化过程中不同类型不同 ,26,，mazG 。 因同源其 中 包 括 编 码 基 因为 了 检 测 ( psbA 4 数量的整个基因从宿主转移到噬藻体 有 ,20,，psbD 2 ) 。，个有 个此外在不同噬藻体中也存 mazG ，，基因在不同水域和不同噬藻体中的存在情况在基因的纵向和横向基因转移这样就增大了噬藻 ，体的遗传多样性而噬藻体作为它们宿主的基因载 Bryan mazG PCR ，设计了 基因简并 引物结果发现 mazG ，基因在不同水域的聚球藻肌病毒科和短尾病 体反过来影响蓝藻的光合作用机制的进化从而引 。。mazG 毒科噬藻体中都有存在且高度保守噬藻体 起了蓝藻和噬藻体的协同进化 ,19,，的基因检测表明噬藻体呈全球性分布不同噬藻体 ，psbA 最近通过研究表明噬藻体编码的 基 ，间频繁进行横向基因转移比对分析显示聚球藻和 ，因在感染的时候会表达因为在噬藻体感染蓝藻的 ，时候大量的噬藻体生产依赖于光合作用并且宿主 mazG mazG ，绿球藻噬藻体 与其宿主 不聚在同一簇psbA D1 ，的 编码的 蛋白转导非常快在感染的时候 mazG mazG，说明噬藻体的 基因并未来自其宿主而 D1 ，蛋白也会衰退这些噬藻体编码的基因的表达会 。所感染的宿主与其本身宿主之间发生了基因转移 ，。增强其光合作用然后提高噬藻体的生存适应性 ,21,2, 2, 2 g20 1998 Fuller ，结构蛋白基因 年等发 3 研究中常用的试验技术 S-PM2、S- 现遗传起源截然不同的肌病毒科噬藻体 蓝藻和噬藻体之间的基因转移的研究是在浓缩 BnM1 S-WHM1 1 ，和 共有 个保守基因此基因能编 ，水样和病毒核酸抽提纯化的基础上通过对基因序 ，T码病毒结构蛋白序列分析表明这个保守基因与 4，列系统分析得出的结论而得到基因序列所用到的 PCR、PFGE RFLP 。试验技术有 和 等 3, 1 PCR 技术 PCR ，技术在噬藻体检测中的应用已日趋成熟 PCR ，技术现已用于研究噬藻体与宿主进化关系噬 。力学研究运用脉冲场凝胶电泳可对水体中噬藻体 ，会的发展水体富营养化程度和蓝藻水华发生日益，的基因组大小不同基因组大小的噬藻体丰度以及 ，。严重因此水华生物防治工作十分紧迫通过研究 不同基因组大小的噬藻体与环境因素间的相互关系 噬藻体和蓝藻中的基因转移来研究它们的分子水平 ,27, 。，Marjolijn Loos-drecht 进行研究例如等对荷兰 ，上的依存和制约关系并将噬藻体作为防治蓝藻类 ，湖的病毒种群动态和多样性进行了研究得知病毒 。水华的有效生物调控因子加以利用 30 ) 200 kb ，基因大小在 间病毒种群动态与环境参 。PFGE ， 数相关是一种快速检测病毒种群的方法 PFGE 但运用 检测病毒基因组多样性存在明显的缺 参 考 文 献 ,1, Keeling PJ，Palmer 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