蓝藻是地球上最古老的生物之一，能够进行光合作用进而参与调控生物圈的碳氮循环。然而，在富营养化的水体中，蓝藻的过度繁殖导致水华，带来严重的经济和社会问题。在中国的第五大淡水湖—巢湖中，每年都发生严重的水华污染，目前仍然没有行之有效的方法来控制巢湖蓝藻水华的爆发。噬藻体是一种特异性侵染蓝藻的病毒，能够调控蓝藻的种群密度和季节分布，被认为是一种潜在的有效干预蓝藻水华的生物手段。目前为止关于淡水噬藻体的研究几乎处于空白状态。
为了研究巢湖噬藻体的生态分布、侵染机制和与蓝藻的共进化关系，中国科学技术大学微尺度物质科学国家研究中心和生命科学学院周丛照教授和陈宇星教授团队通过长期的努力，从巢湖中分离得到了一株全新的长尾噬藻体Mic1，能够特异性侵染巢湖水华的优势藻种微囊藻。该研究成果以“Capsid structure of a freshwater cyanophage siphoviridae Mic1”为题于2019年7月30日在线发表于《Structure》杂志。该研究阐明了噬藻体的组装机制，为后续噬藻体的改造和人工合成，并应用于蓝藻水华的干预提供了理论指导。冷冻电镜数据收集工作在中科院生物物理所生物成像中心完成。该研究得到了科技部、国家自然科学基金委和中国科学院的资助。
蓝藻优势种的生长和波动除了受到环境中营养物质和食草动物的捕食以外，主要受相应的噬藻体控制。噬菌体不仅在细胞裂解，生化循环和水平基因转移过程中发挥作用，而且还控制细菌的群落结构和功能。此外，噬藻体有助于养分循环和微生态系统的调节，迄今为止鉴定的噬藻体都是特异性感染窄谱的蓝藻物种，因此可用作控制蓝藻群落的环境友好型生物制剂，决定宿主的季节性演替。在过去的几十年中，大部分的噬藻体研究都集中在海洋系统上，导致鉴定了大量的海洋噬蓝藻的组成。相比之下，尽管在1963年报道了第一个感染丝状蓝藻细菌的淡水噬藻体LPP-1，但对淡水噬蓝（绿）藻体的研究却很少。因此，进行更多的研究以更好地了解淡水噬藻体及其在藻华控制中的潜在应用。
本课题对巢湖蓝藻的分布、形态及数量进行了系统的研究。在巢湖的不同地点采集了3升水样，采用浓缩水样对12株蓝藻噬菌种进行筛选(表S1)。经过大量的消光稀释试验，周丛照教授团队最终发现，白石田河入湖口采集的水样可以感染M.wesenbergii菌株FACHB1318和FACHB1339（位置：31°31′47.5″N，117°23′55.3″E）。
选择一个M. wesenbergii菌斑接种到液体培养基中生长的蓝藻中。培养20 h后培养基变得清晰，表明分离的噬蓝体在宿主体内可以扩增，并以成熟的形态释放到培养基中。受噬蓝体感染的M. wesenbergii细胞的超薄切片清晰显示数百个噬菌体颗粒(图1A)，进一步证实了M. wesenbergii中噬蓝体的扩增和组装;因此，周教授团队称之为Mic1。为了进一步阐明这种噬蓝体的生理特性，用一步生长实验测量了其生长曲线。这表明 Mic1 有约12 h的潜伏期，在随后的4小时内迅速增殖，并且最终在M. wesenbergii FACHB1339的每个宿主细胞中约复制450倍（图1B）。相比之下，从M. wesenbergii FACHB1318的每个细胞仅释放170个Mic1颗粒（图S1），表明菌株FACHB1339在扩增Mic1方面具有更高的效率。因此，应用M. wesenbergii FACHB1339的蓝细菌宿主细胞扩增噬藻体Mic1。
(A)未感染(左侧)和mic1感染(右侧)的wesenbergii细胞超薄切片。噬菌体颗粒用白色箭头表示。
(B)感染宿主细胞M. wesenbergii FACHB1339的Mic1一步生长曲线。数据表示为三次独立试验的平均值±标准偏差。
(C)纯化后的Mic1颗粒负染色电镜图像。参见图S1和表S1。
Mic1，能够特异性侵染巢湖水华的优势藻种微囊藻。Mic1的头部尺寸约为88纳米，尾部长度约为400纳米。研究人员通过冷冻电镜技术解析了Mic1头部近原子分辨率结构，是第一个淡水噬藻体的三维结构，该结构清晰的阐释了Mic1的头部组装机制。结构分析发现Mic1的头部由衣壳蛋白gp40和装饰蛋白gp47组装形成二十面体结构。gp40采取经典的噬菌体的HK97-like折叠模式，形成五聚体和六聚体，通过榫卯结构进一步组装形成二十面体头部。装饰蛋白gp47采用全新的折叠模式，锚定在二十面体的二次轴附近，进一步加固头部的稳定性。
(A)主要衣壳蛋白gp40(灰色)具有类似hk97的折叠。
(B)将gp40亚基组织成五边形(黄色)和六边形(青色)来启动衣壳组装。
(C)相邻的壳聚糖通过双层界面和延伸的N臂以榫接形式相互锁接，形成衣壳的组装核心。
(D)二聚体蛋白gp47在双折叠位点的聚集进一步增强衣壳稳定性，从而完成衣壳组装。gp40和gp47蛋白以表面模式显示。
讨论
周教授团队研究结构中的gp47蛋白采用了一种不同于所有已知结构蛋白的新型折叠结构。编码这种新型蛋白的基因可能很早就从宿主蓝藻细菌中获得，很可能是由于共同进化和基因转移导致的。Mic1的结构揭示了一种独特的衣壳亚基组装模式，这在其他已知结构的噬菌体中是没有观察到的。衣壳通过非共价相互作用组装而成，但结构相对稳定，保持了DNA封装的高内压。综上所述，周丛照教授与陈宇星教授团队展示了一种淡水噬藻体的低温电镜结构，这种噬藻体能特异感染中国南方湖泊藻类的优势物种——微囊藻。他们的研究结果为研究蓝藻与相应的噬藻体的识别和共同进化提供了一个平台。然而，为了更好地了解宿主-噬藻体的相互作用及其在控制藻华中的应用，还需要进一步研究它们的生理功能和识别更多的噬藻体。
原标题：巢湖水华蓝藻的天敌取得研究进展
