噬菌體大追蹤！探秘海洋中的“僵尸細(xì)胞”現(xiàn)象

當(dāng)我們想到海洋，常常會聯(lián)想到遼闊無垠的藍(lán)色、豐富多彩的生物，以及蔚為壯觀的海洋生態(tài)系統(tǒng)。然而，在這個神秘的藍(lán)色世界里，隱藏著許多未被揭示的奧秘?！昂Ｑ笈c濕地”（OceanWetlands）小編小編注意到，近期，來自馬克斯·普朗克海洋微生物研究所的一項研究揭示了海洋中一種令人驚訝的現(xiàn)象——“僵尸細(xì)胞”的存在。

2024年5月17日，德國馬克斯·普朗克海洋微生物研究所的科學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊在《自然通訊》期刊上發(fā)表了一項關(guān)于海洋中僵尸細(xì)胞的研究。這項研究揭示了病毒是如何控制著海洋表層水域中最常見的細(xì)菌之一——SAR11細(xì)菌，從而對海洋生態(tài)系統(tǒng)中微生物的相互作用和碳循環(huán)產(chǎn)生重大影響?！昂Ｑ笈c濕地”（OceanWetlands）小編注意到，來自中國福建農(nóng)林大學(xué)農(nóng)林科學(xué)與生態(tài)學(xué)院的Yanlin Zhao是該研究的共同作者之一。

在德國赫爾戈蘭島（Helgoland Roads）周圍海域的春季藻類大量繁殖，正是這項研究的關(guān)鍵研究對象。馬克斯·普朗克海洋微生物研究所的科學(xué)家們2020年曾觀察到，SAR11細(xì)菌在這種藻類大量繁殖期間生長速度異?？?。然而，盡管它們生長迅速，但在短短五天內(nèi)，SAR11細(xì)菌的數(shù)量卻急劇下降了約90%。這一現(xiàn)象表明，SAR11細(xì)菌很可能受到了捕食者和/或病毒感染的快速削減。這種下降現(xiàn)象與其他豐度較高的細(xì)菌浮游生物不同，因此研究人員推測這可能是由病毒感染引起的。為了解決這個問題，他們使用了先進(jìn)的顯微技術(shù)來量化受到pelagiphage感染的細(xì)胞數(shù)量，并在全球范圍內(nèi)進(jìn)行了相應(yīng)的調(diào)查，以揭示這一現(xiàn)象的普遍性。

（圖：德國海灣赫爾戈蘭島上的日落，這是馬克斯·普朗克海洋微生物研究所的研究人員獲取樣本的地方。Jan Brüwer/馬克斯·普朗克海洋微生物研究所。）

科學(xué)家們通過追蹤感染SAR11細(xì)菌的噬菌體（Phages）來尋找感染源。他們利用一種技術(shù)，能夠“追蹤”噬菌體的遺傳物質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞的過程。研究發(fā)現(xiàn)，在快速生長期間，如春季藻類大量繁殖期間，近20%的SAR11細(xì)菌被感染，這解釋了細(xì)胞數(shù)量之所以稀少的原因。因此，噬菌體是解釋這一謎團(tuán)的關(guān)鍵因素。

然而，更令科學(xué)家們驚訝的是，研究發(fā)現(xiàn)了更多的現(xiàn)象。他們發(fā)現(xiàn)，一些被噬菌體感染的SAR11細(xì)菌不再含有核糖體。這些細(xì)胞可能處于生死交替的狀態(tài)，因此被稱為“僵尸”細(xì)胞。

（在顯微鏡下，科學(xué)家們通過SAR11僵尸細(xì)胞明顯缺乏核糖體來加以識別。以一例對比活著的受感染的SAR11細(xì)胞和僵尸細(xì)胞的情況為例：藍(lán)色代表細(xì)菌DNA，黃色顯示核糖體，紫色突出顯示噬菌體基因?；罴?xì)胞（上圖）顯示了三種顏色，而僵尸細(xì)胞（下圖）缺乏黃色核糖體信號。右側(cè)最后一列圖像將這些顏色合并，清晰地區(qū)分了這兩種細(xì)胞類型。圖片來源 Jan Brüwer/馬克斯·普朗克海洋微生物研究所。）

值得注意的是，這種“僵尸”細(xì)胞并不僅限于實驗室中的純SAR11培養(yǎng)物，還在赫爾戈蘭島周圍收集的樣本中發(fā)現(xiàn)。此外，對大西洋、南大洋和太平洋的樣本進(jìn)行分析也表明，僵尸細(xì)胞普遍存在，這表明這種現(xiàn)象在全球范圍內(nèi)都有發(fā)生。

“在我們的研究中，僵尸細(xì)胞在海洋中占所有細(xì)胞的10%。這一現(xiàn)象的全球性發(fā)現(xiàn)擴大了我們對病毒感染周期的認(rèn)識，”研究人員強調(diào)道?！拔覀儜岩桑诮┦?xì)胞中，核糖體中含有的核酸正在被分解和回收，以制造新的噬菌體DNA。”

這一研究成果拓展了人類對海洋微生物相互作用和病毒感染周期的認(rèn)識，為理解海洋生態(tài)系統(tǒng)的運行機制提供了新的視角。研究人員假設(shè)，不僅SAR11細(xì)菌，其他細(xì)菌也是可能被轉(zhuǎn)化為僵尸細(xì)胞的。因此，他們希望進(jìn)一步調(diào)查僵尸細(xì)胞的分布、及其在病毒感染周期中的作用。

（上圖：地圖上顯示了不同航次和長期生態(tài)研究站Helgoland Roads的取樣位置。左Y軸顯示了SAR11的相對豐度，右Y軸顯示了受到噬菌體感染的SAR11的相對豐度，以及僵尸細(xì)胞的相對豐度（右Y軸），這些數(shù)據(jù)來自大西洋、南大洋和太平洋，括號中標(biāo)注了對應(yīng)的航次。原始數(shù)據(jù)顯示為單個數(shù)據(jù)點，區(qū)域表示大西洋和太平洋的loess平滑。顯示了沒有平滑的南大洋數(shù)據(jù)的子集（方框）。南大洋的完整數(shù)據(jù)可見于圖S4中。每個顯示的數(shù)據(jù)點均采樣于N=1個站點。圖源：Brüwer, J.D., Sidhu, C., Zhao, Y. Eich, A., R?ssler, L., Orel-lana, L.H., Fuchs, B.M (2024).）

海洋與濕地·小百科

SAR11細(xì)菌

SAR11細(xì)菌（SAR11 Bacteria）是一類小型、革蘭氏陰性、海洋浮游細(xì)菌，屬于Alphaproteobacteria門Pelagibacterales目，它們是海洋微生物群落中最豐富的成員之一，占據(jù)了海洋表層水域約三分之一的細(xì)菌數(shù)量，對海洋生態(tài)系統(tǒng)的功能和穩(wěn)定性起著重要作用。它們廣泛分布于世界各地的海洋中，尤其是在表層水域中。作為海洋生態(tài)系統(tǒng)中的初級生產(chǎn)者，SAR11細(xì)菌通過光合作用從陽光中獲取能量，是重要的碳循環(huán)者，能夠?qū)⒋髿庵械亩趸嫁D(zhuǎn)化為有機碳。

SAR11細(xì)菌是地球上最小的細(xì)菌之一，其細(xì)胞直徑僅為0.2微米。而且，細(xì)菌的基因組非常小，只有大約60萬個堿基對。SAR11細(xì)菌具有獨特的代謝能力，使其能夠在海洋的低營養(yǎng)環(huán)境中生存。它們可以利用其他微生物產(chǎn)生的光合有機物，同時能夠吸收水中的溶解氨基酸和糖類物質(zhì)。此外，SAR11細(xì)菌還表現(xiàn)出很強的適應(yīng)性，能夠忍受廣泛的環(huán)境條件，包括高溫、低鹽度和強光等。

它們能夠利用來自其他微生物的光合作用產(chǎn)生的各種有機物，包括糖、氨基酸和維生素。這類細(xì)菌也是重要的碳循環(huán)者，有助于調(diào)節(jié)地球氣候。在海洋生態(tài)系統(tǒng)中，SAR11細(xì)菌發(fā)揮著重要作用。它們構(gòu)成了許多海洋食物鏈的基礎(chǔ)，為魚類、蝦和其他海洋生物提供了重要的食物來源。同時，作為碳循環(huán)者，SAR11細(xì)菌有助于調(diào)節(jié)地球氣候，對地球生態(tài)系統(tǒng)的平衡起著至關(guān)重要的作用。

可以說，它們是理解海洋微生物群落結(jié)構(gòu)和功能的比較理想的模型。近年來，SAR11細(xì)菌成為了科學(xué)研究的熱點?？茖W(xué)家們對這些細(xì)菌的代謝、生態(tài)學(xué)和進(jìn)化過程充滿了興趣。對SAR11細(xì)菌的深入研究有望為我們提供關(guān)于海洋微生物群落及其在全球生態(tài)系統(tǒng)中作用的新見解。

僵尸細(xì)胞

僵尸細(xì)胞（Zombie Cells）是指被病毒感染后，失去了生命特征但仍存活的細(xì)胞狀態(tài)，可能對細(xì)菌群落的生態(tài)功能產(chǎn)生影響。在海洋生態(tài)系統(tǒng)中，本研究的研究人員發(fā)現(xiàn)了這種神秘的細(xì)胞狀態(tài)，其中一種典型的例子是SAR11細(xì)菌。其特征是缺乏任何可檢測的16S核糖體RNA。當(dāng)SAR11細(xì)菌受到噬菌體（一種感染細(xì)菌的病毒）的感染后，部分細(xì)胞會表現(xiàn)出僵尸細(xì)胞的特征。

具體來講，當(dāng)SAR11細(xì)胞受到噬菌體感染后，部分細(xì)胞可能會失去核糖體（負(fù)責(zé)蛋白質(zhì)合成的細(xì)胞器），導(dǎo)致其在細(xì)胞內(nèi)部的生物合成和代謝功能受到嚴(yán)重影響。盡管這些細(xì)胞表現(xiàn)出失去了正常細(xì)胞功能的特征，但它們?nèi)匀槐３种欢ǔ潭鹊纳顒樱缂?xì)胞膜的完整性和細(xì)胞的存在。值得注意的是，僵尸細(xì)胞的出現(xiàn)可能并非絕對的，它們通常是病毒感染后細(xì)胞狀態(tài)的一種轉(zhuǎn)變。對于SAR11細(xì)菌等微生物來說，僵尸細(xì)胞的出現(xiàn)可能會對其在海洋生態(tài)系統(tǒng)中的角色和功能產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響到海洋生物體的生態(tài)和生物地球化學(xué)循環(huán)。

噬菌體

噬菌體（Phages），也稱為細(xì)菌病毒，是一類專門感染細(xì)菌的病毒。它們是一種寄生性病毒，其生命周期與細(xì)菌密切相關(guān)。噬菌體通過將其遺傳物質(zhì)注入細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)，并利用細(xì)菌細(xì)胞的生物機制復(fù)制自身，最終導(dǎo)致細(xì)菌細(xì)胞的破裂釋放出新的噬菌體。

噬菌體的結(jié)構(gòu)通常包括兩個主要部分：DNA或RNA的遺傳物質(zhì)和蛋白質(zhì)組成的外殼。這種外殼可以與特定的細(xì)菌細(xì)胞表面結(jié)構(gòu)相互作用，從而將噬菌體引導(dǎo)到其寄主細(xì)菌上。噬菌體在自然界中廣泛存在，數(shù)量巨大，是細(xì)菌群落的重要調(diào)控者之一。它們通過感染和殺死細(xì)菌來維持細(xì)菌群落的穩(wěn)定性和多樣性。同時，噬菌體也是研究細(xì)菌生態(tài)學(xué)、基因轉(zhuǎn)移和生物技術(shù)等領(lǐng)域的重要工具之一。

在海洋生態(tài)系統(tǒng)中，噬菌體扮演著重要角色，它們參與調(diào)控海洋中細(xì)菌數(shù)量和種群結(jié)構(gòu)，對海洋生態(tài)系統(tǒng)的功能和穩(wěn)定性具有重要影響。因此，對噬菌體的研究不僅有助于深入理解微生物在海洋中的生態(tài)功能，還為開發(fā)相關(guān)的生物技術(shù)和生物治療手段提供了新的思路和可能性。

思考題 | 舉一反三

Q1. 噬菌體對海洋細(xì)菌群落的控制有多重要？它們?nèi)绾斡绊懞Ｑ笊鷳B(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和功能？

Q2. 為什么在藻類春季盛開期間，SAR11細(xì)菌的細(xì)胞數(shù)量會突然減少？病毒誘導(dǎo)的死亡是導(dǎo)致這種現(xiàn)象的主要因素嗎？

Q3. 為什么僵尸細(xì)胞在海洋生態(tài)系統(tǒng)中如此普遍？它們對生態(tài)系統(tǒng)的功能和穩(wěn)定性有何影響？噬菌體感染的細(xì)胞數(shù)量與海洋生物的生態(tài)平衡有何關(guān)系？如何更好地理解和利用這些微生物相互作用來保護(hù)海洋環(huán)境？

Q4. 雖然作者提出了噬菌體感染可能會導(dǎo)致核糖體RNA的消化再利用來合成新的噬菌體基因組的假設(shè)，但這個假設(shè)是否可靠？它如何解釋“僵尸細(xì)胞”現(xiàn)象？這一假設(shè)是否需要更多的實驗驗證和數(shù)據(jù)支持？

END

新聞源 | Nature Communications，Sciencedaily

編譯 | 王芊佳

編輯 | Sara

排版 | Sara

參考資料略