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中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)生命科學(xué)與醫(yī)學(xué)部周叢照教授課題組，繼最近關(guān)于侵染偽魚腥藻Chao 1806的五種噬藻體Pam1~Pam5的組學(xué)新進展（Microbiome, 2022）之后，利用冷凍電鏡單顆粒技術(shù)解析了其中一株肌尾噬藻體Pam3的完整結(jié)構(gòu)，闡明了一種最簡肌尾噬菌體的精細組裝模式，相關(guān)成果以“Fine structure and assembly pattern of a minimal myophage Pam3”為題于2023年01月19日在線發(fā)表在《美國科學(xué)院院報PNAS》上。與此同時，團隊成功從巢湖分離出五株侵染偽魚腥藻Chao 1811的噬藻體，命名為Pan1~Pan5，對其進行了基因組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)分析，相關(guān)研究成果以“Phylogenomics of fivePseudanabaenacyanophages and evolutionary traces of horizontal gene transfer”為題于2023年01月13日在線發(fā)表在《Environmental Microbiome》上。

藍藻作為地球上最重要的初級生產(chǎn)者，其起源可追溯至35億年前的太古時期，通過光合作用調(diào)控生物圈的碳氮循環(huán)。然而，水體富營養(yǎng)化導(dǎo)致藍藻大量繁殖形成水華，嚴重破壞生態(tài)環(huán)境。我國南方是藍藻水華威脅的重災(zāi)區(qū)，治理難度大，費用高，周期長，是最受關(guān)注的環(huán)境問題之一。噬藻體作為特異侵染藍藻的病毒，能夠調(diào)控藍藻的生長和種群分布，干預(yù)藍藻水華的爆發(fā)，是一種潛在的藍藻水華治理的工具。噬藻體的研究在國際上主要集中在海洋噬藻體及其生態(tài)功能方面，淡水噬藻體的研究相對薄弱。

研究人員通過冷凍電鏡技術(shù)解析了特異性侵染偽魚腥藻Chao 1806的肌尾噬藻體Pam3的完整結(jié)構(gòu)。Pam3的頭部直徑為680 ?，通過頸部連接一個可收縮的840 ?尾巴和一個簡化基板。相對于經(jīng)典的大腸桿菌肌尾噬菌體T4，Pam3的組裝模式更為簡單，其尾部基板僅包含6個蛋白組分，其中12個尾絲三聚體采用上下交替的構(gòu)象，通過二硫鍵共價結(jié)合在尾部基板上，暗示Pam3的組裝和侵染宿主時尾鞘的收縮可能受到環(huán)境中氧化還原狀態(tài)的精細調(diào)控。該研究揭示了一種新型的簡化肌尾噬菌體的精細組裝模式，鑒定了肌尾噬藻體組裝和侵染過程所需的最少結(jié)構(gòu)組分，為后續(xù)噬菌體的理性設(shè)計和人工改造，及其應(yīng)用于干預(yù)藍藻水華提供了理論指導(dǎo)。

同時，研究人員基于基因組和蛋白質(zhì)組比較分析，揭示了侵染偽魚腥藻Chao 1811的噬藻體Pan1~Pan5獨特的基因組特征以及進化多樣性。通過對輔助代謝基因phoH的系統(tǒng)發(fā)育分析，為藍細菌和α-變形菌間存在的由噬菌體介導(dǎo)的門間基因水平轉(zhuǎn)移提供了直接證據(jù)。該研究成果豐富了淡水噬藻體參考基因組數(shù)據(jù)庫，有助于鑒定新的基因和未知功能蛋白；同時，首次在噬藻體中發(fā)現(xiàn)的門間基因水平轉(zhuǎn)移的進化痕跡，暗示噬菌體或噬藻體可以被開發(fā)為在不同物種或門之間進行基因操作的載體。

周叢照教授、江永亮副教授和李瓊特任副研究員為PNAS論文的共同通訊作者，楊豐博士為第一作者。周叢照教授、李瓊特任副研究員和李衛(wèi)芳副教授為Environmental Microbiome論文的共同通訊作者，博士生朱潔為第一作者。冷凍電鏡數(shù)據(jù)收集工作在中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)冷凍電鏡中心完成。上述研究得到科技部、國家自然科學(xué)基金委、中科院和中央高校基礎(chǔ)科研業(yè)務(wù)費專項資金的資助支持。江永亮感謝中科院“青年創(chuàng)新促進會”的支持。

全文鏈接：

PNAS：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2213727120

Environmental Microbiome:https://doi.org/10.1186/s40793-023-00461-5

（生命科學(xué)與醫(yī)學(xué)部，科研部）