微生物是全球生物地球化學(xué)循環(huán)和生態(tài)系統(tǒng)功能的重要驅(qū)動(dòng)者。雖然基因型一致的群體在相同環(huán)境條件下常表現(xiàn)出代謝功能差異，這種“表型異質(zhì)性”現(xiàn)象在生態(tài)學(xué)中已受到關(guān)注，但其主要驅(qū)動(dòng)因子尚不清楚。噬菌體作為地球上數(shù)量最龐大的生物實(shí)體之一，在感染過(guò)程中不僅造成宿主死亡，還會(huì)通過(guò)水平基因轉(zhuǎn)移、代謝重編程等方式塑造微生物群落結(jié)構(gòu)。然而，噬菌體如何在單細(xì)胞層面產(chǎn)生并放大這種異質(zhì)性，以及對(duì)生態(tài)系統(tǒng)過(guò)程的具體貢獻(xiàn)，仍是當(dāng)前亟待解決的科學(xué)問(wèn)題。

針對(duì)這一科學(xué)問(wèn)題，中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)應(yīng)用生態(tài)研究所“環(huán)境污染過(guò)程與效應(yīng)創(chuàng)新組群”梁小龍研究員團(tuán)隊(duì)從機(jī)制、生態(tài)和方法學(xué)三個(gè)層面進(jìn)行了深入綜述。在機(jī)制層面，闡述了噬菌體在裂解與溶原兩種生活史策略下，通過(guò)調(diào)控宿主基因表達(dá)、整合或切除前噬菌體、以及攜帶并表達(dá)輔助代謝基因(AMGs)，在群體內(nèi)產(chǎn)生不同的代謝狀態(tài)和表型差異。生態(tài)層面指出噬菌體誘導(dǎo)的異質(zhì)性不僅影響宿主種群動(dòng)態(tài)和群落穩(wěn)定性，還通過(guò)“病毒旁路效應(yīng)”(viral shunt)、營(yíng)養(yǎng)循環(huán)調(diào)控和有機(jī)碳穩(wěn)定等途徑，深刻作用于碳、氮、磷等元素循環(huán)過(guò)程。方法學(xué)前沿展望中，強(qiáng)調(diào)單細(xì)胞分辨率的新技術(shù)(如NanoSIMS、單細(xì)胞拉曼光譜、BONCAT-FISH、微流控追蹤等)為揭示噬菌體驅(qū)動(dòng)的單細(xì)胞代謝變異提供了新工具，有望推動(dòng)微生物生態(tài)學(xué)和生物地球化學(xué)研究進(jìn)入“病毒—單細(xì)胞互作”新階段。

該研究明確提出噬菌體驅(qū)動(dòng)的表型異質(zhì)性不僅是微生物生態(tài)學(xué)中的普遍現(xiàn)象，更是塑造群落功能與生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的核心機(jī)制。未來(lái)將這一機(jī)制納入生態(tài)模型與碳循環(huán)模型，對(duì)于提升全球變化背景下的生態(tài)系統(tǒng)功能預(yù)測(cè)能力具有重要意義。研究成果以Bacteriophage-driven microbial phenotypic heterogeneity: ecological and biogeochemical importance為題，發(fā)表在發(fā)表在 npj Biofilms & Microbiomes 期刊。中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)生態(tài)所梁小龍研究員為第一作者和通訊作者，賈永鋒研究員為共同通訊作者。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、森林生態(tài)與保育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、遼寧省優(yōu)秀青年基金等資助。

圖1. 噬菌體復(fù)制過(guò)程及其對(duì)微生物表型異質(zhì)性的影響

圖2. 噬菌體感染介導(dǎo)微生物表型異質(zhì)性

圖3. 噬菌體導(dǎo)致宿主表型變異的示意圖