全 文 ：第 35卷 第 2期 生 态 科 学 35(2): 166173
2016 年 3 月 Ecological Science Mar. 2016

收稿日期: 2015-09-02; 修订日期: 2015-10-24
基金项目: 国家自然科学基金项目(No. 31200019); 江苏大学高级专业人才启动基金项目(No. 11JDG151); 中国科学院南海海洋研究所开放基金项目
(No. LMB131001)
作者简介: 高恶斌(1979—), 男, 江西彭泽人, 博士, 讲师, 主要从事病毒分子生物学研究, E-mail: gaofei7908@126.com

高恶斌, 董一鸣. 噬藻体遗传多样性及其分子生态学研究现状与展望[J]. 生态科学, 2016, 35(2): 166173.
GAO Ebin, DONG Yiming. Advances in researches on cyanophage genetic diversity and molecular ecology[J]. Ecological Science,
2016, 35(2): 166173.

噬藻体遗传多样性及其分子生态学研究现状与展望
高恶斌*, 董一鸣
江苏大学环境与安全工程学院, 镇江 212013

【摘要】 噬藻体是水体微生物群落中的重要活性成分, 广泛存在于海洋及淡水环境中, 对蓝藻种群结构与多样性以及
水生态环境具有重要影响。开展水环境中噬藻体遗传多样性研究将有助于噬藻体资源的开发与利用。从分子生态学角
度, 论文对噬藻体遗传多样性研究的分子基础与分子标记等进行了综述, 并简要概述了相关研究方法的基本概念及其
应用状况。从分子生态学与噬藻体多样性研究相结合的层面, 对该领域的未来研究进行展望。

关键词：噬藻体; 辅助代谢基因; 遗传多样性; 分子生态学; 蓝藻
doi:10.14108/j.cnki.1008-8873.2016.02.025 中图分类号：Q938.8 文献标识码：A 文章编号：1008-8873(2016)02-166-08
Advances in researches on cyanophage genetic diversity and molecular ecology
GAO Ebin*, DONG Yiming
School of The Environment and Safety Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China
Abstract: Cyanophages are important active components of aquatic microbial communities, and are widespread in both marine and
freshwater environments. As a key biological agent, cyanophages exercise a great influence on cyanobacterial population structure,
diversity, and aquatic ecological environments. The study on cyanophage diversity in aquatic environments will greatly contribute to
the exploitation and utilization of cyanophage resources. The aims of this article are to summarize molecular basis and markers of
cyanophage genetic diversity research from the viewpoint of molecular ecology, and to describe the basic concept and application of
the related research methods. Furthermore, the combination of molecular ecology and cyanophage diversity research enables us to
make some future predictions in this field.
Key words: cyanophage; auxiliary metabolic genes; genetic diversity; molecular ecology; cyanobacteria
1 前言
噬藻体是侵染蓝藻的病毒, 虽然个体极其微
小, 但数量巨大, 是水体微生物群落中重要的活性
成分[1–2]。它们广泛分布于全球各种天然水体中, 具
有丰富的遗传多样性[3]。在水生态系统中, 噬藻体与
宿主蓝藻相互作用, 可调控蓝藻种群结构与多样
性、参与生物地球化学循环以及介导微生物之间水
平基因转移[4–6], 尤其是为预防蓝藻水华提供了新的
途径[7]。如今, 噬藻体被看成是一种不可忽视的战略
资源[1], 倍受国内外学者的高度关注, 并成为病毒学
与生态学研究相互渗透而成的一个新的研究热点。
由于传统微生物分离培养技术的限制, 自然水
环境中大多数噬藻体都是处于未纯培养的状态, 难
以全面地认识噬藻体多样性及其生态作用。近年来
有关海洋及淡水环境中噬藻体的研究大多是从分子
2 期 高恶斌, 等. 噬藻体遗传多样性及其分子生态学研究现状与展望 167

生态学的角度出发, 对噬藻体群落结构及其遗传多
样性进行研究。分子生态学作为一门新兴学科, 将
分子生物学方法与生态学理念有机结合, 为噬藻体
多样性研究提供了新的方法, 有助于深化人们对于
噬藻体生物资源及其生态功能的认识。本文从分子
生态学的角度, 结合分子生物学及其相关技术, 对
噬藻体多样性研究进行综述与展望, 旨在为开发利
用噬藻体生物资源提供参考。
2 噬藻体遗传多样性的分子基础
噬藻体是地球生物圈内一类古老的微生物, 在
长期的进化过程中, 为逃避宿主免疫系统或提高自
身生态适应性, 以不同方式如基因交换重组不断获
取部分外源 DNA 片段。这些获得的外源核酸物质不
仅使得噬藻体自身遗传物质结构发生改变, 而且为
丰富噬藻体遗传多样性提供了分子基础。由于物种
种内个体之间的遗传结构差异程度是其遗传多样性
的重要表现, 因此, 测定噬藻体基因组序列并分析
其结构特征与基因组成, 可获得噬藻体生物学功能
及其遗传多样性的相关数据。随着分子生物技术的迅
速发展, 一系列海洋噬藻体基因组序列被测定[8–14],
为深入开展噬藻体生态学特性、亲缘关系及分类等
相关研究提供了重要的遗传信息。Chen 等[8]通过测
定海洋短尾噬藻体 P60 基因组序列并分析其序列特
征, 发现了短尾病毒科噬藻体DNA复制系统比肌病
毒科和长尾病毒科噬藻体要保守的多, 且将DNA复
制系统作为裂性噬藻体的判断标准, 在分子水平上
证实 P60 是一种裂性噬藻体。Weigele 等[9]发现 T4
噬藻体 Syn9 基因组具有不同于 T4 噬菌体的 DNA
复制模式, 而且 Syn9 可利用同源蛋白组装成与噬菌
体 SP01 和疱疹病毒有相同拓扑学特征的衣壳整体
结构。对长尾噬藻体 P-SS2 测序结果显示, 基因组
中含有 int, bet, exo和一个53bp的结合位点等遗传机
制, 由此推测噬藻体 P-SS2 可能长期与宿主进行基
因片段整合[10]。近年来, 不少研究对淡水噬藻体基
因组进行了一些相关报道[15–20], 并获得了有关淡水
噬藻体基因组特征及其多样性的遗传信息。日本学
者 Yoshida 等[15]首次详细报道感染铜绿微囊藻的肌
尾噬藻体 Ma-LMM01 基因组, 该噬藻体基因组中含
有位点特异重组酶(site-specific recombinase)、抗阻
遏物激活因子(antirepressors)以及与宿主高度同源
的转坐酶等有关的编码基因, 表明 Ma-LMM01 基因
不仅可整合到宿主基因组内, 而且还可能与其宿主发
生基因传递。在国内噬藻体研究方面, 刘新尧等[16–17]
先后测定了两株感染相同宿主蓝藻的短尾噬藻体
Pf-WMP4 和 Pf-WMP3 基因组序列, 尽管它们基因
组特征差异明显, 但却有相同的形态学结构、结构
蛋白 SDS-PAGE 条带及氨基酸序列和右臂基因结
构。黄思军等 [18]测定了四株长尾噬藻体 S-CBS1,
S-CBS2, S-CBS3, S-CBS4 基因组序列, 并与海洋长
尾噬藻体 P-SS2 进行比较分析, 揭示了长尾噬藻体
具有显著的遗传多样性。2012 年, 高恶斌等[24]完成
一株无尾噬藻体 PaV-LD 的测序, 在基因水平证实
了该噬藻体缺少尾部相关基因, 表明了自然环境中
噬藻体形态丰富多样。
研究表明, 噬藻体与宿主蓝藻之间的水平基因
转移是导致噬藻体遗传多样性的一个重要原因[28]。
通过对已测序噬藻体基因组序列分析, 研究人员发
现大多数噬藻体携带一些与宿主蓝藻具有高度相似
的代谢相关基因序列[8–15,19–20 ]。这些代谢相关的基
因被看成是噬藻体特有基因, 仅存在噬藻体基因组
中, 而噬菌体或其它病毒基因组从未发现。这些代
谢相关的基因序列可能是通过噬藻体与宿主之间的
遗传物质交换而获得, 与宿主蓝藻的新陈代谢和生
命循环有着密切的联系[18,26]。2005年, Sullivan等[13]
测定了3株海洋噬藻体P-SSP7、P-SSM2和P-SSM4基
因组序列, 分别发现它们7%、11%、12%的基因组
序列编码与蓝藻基因高度同源的序列, 如光合系统
II核心蛋白D1、D2(psbA、psbD), 强光诱导蛋白(hli),
质体蓝素蛋白(petE), 铁氧化还原蛋白(petF), 藻胆
红素合成酶(pebA), 血红素氧合酶(ho1), 聚胺合成
酶(speD), 藻胆蓝素:铁氧还蛋白氧化还原酶(pcyA),
以及转醛醇酶基因(talC)等, 其中噬藻体P-SSM2和
P-SSM4还含有磷酸盐诱导基因(phoH, pstS)和催化
维生素B12合成蛋白基因(cobS)。2010年, Sullivan等[25]
对16株肌尾海洋噬藻体基因组序列进行了比较分析,
发现25个噬藻体特有基因, 包括之前报道过的光合
作用相关基因、磷压力诱导基因以及氮代谢有关的
核心基因。在淡水噬藻体基因组序列中, 研究人员
还找到了可降解蓝藻藻胆蛋白体光捕复合物的nblA
必需基因[15,19–20]。这些代谢相关基因一方面可能与
噬藻体适应特殊的生态环境与宿主生理状况有关,
另一方面它们改变了噬藻体基因组结构与组成, 是
导致噬藻体遗传多样性的重要因素之一[28]。
168 生 态 科 学 35 卷

3 噬藻体遗传多样性的分子标记
噬藻体在形态上属于有尾DNA病毒科成员, 包
括肌尾噬藻体、短尾噬藻体及长尾噬藻体, 在各种
水域广泛分布, 且丰度极高。它们缺少统一的保守
序列, 在遗传多样性研究方面还存在一定的局限性,
因而选择适合的靶基因成为噬藻体分子生态学研究
的关键。目前对水体中噬藻体多样性的认识主要基
于DNA聚合酶、结构蛋白以及部分辅助代谢基因
(AMGs)等遗传标记的基因多样性研究。
3.1 结构蛋白基因
通常, 某些编码结构蛋白的基因在特定噬藻体
种群中具有高度保守性[29–30], 被作为靶标基因用于
研究噬藻体种群结构、遗传差异与多样性。Fuller
等[29]在海洋肌尾科噬藻体中发现了一段编码结构蛋
白基因g20的保守序列, 并根据该基因序列设计出
了一系列的引物, 自此开始了在分子生物学水平上
对噬藻体遗传多样性的研究。目前, g20基因已成功
被用于各种海洋、湖泊及稻田等水体中的噬藻体遗
传多样性研究[22,31–35], 并获得了大量的研究数据。其
分析结果显示, 水体中噬藻体的遗传多样性相当丰
富, 且不同水体之间噬藻体遗传多样性差异非常明
显。Zhong等[34]利用g20基因对河口和寡营养海域的
噬藻体进行遗传多样性的研究, 共得到了114个噬
藻体g20基因的系统分类单元(OTUs), 其中噬藻体
遗传多样性最丰富的1个水体样本中得到了29个
OTUs。通过对这114个噬藻体g20基因的OTUs之间
以及同已获得纯培养的噬藻体的g20序列进行亲缘
关系的比较分析, 建立了9个海洋肌尾科噬藻体序
列簇。Dorigo等[36]采用克隆及PCR-DGGE 技术从法
国最大的自然湖-泊布尔热湖得到47条噬藻体g20序
列, 得到了35种不同的噬藻体基因型, 并将它们分
为7个分类单元 (OTUs), 系统发育分析发现一些
OTUs与海洋的噬藻体序列具有同源性, 而一部分
OTUs仅分布于淡水湖泊环境中。Jiang等[22]等调查研
究了我国稻田水体中噬藻体g20基因多样性及其分
布规律, 发现水体存在3个新的g20基因类群, 并采
用UniFrac方法分析噬藻体g20基因群集发现, 噬藻
体群落结构在海洋、湖泊及稻田环境中存在显著的
差异, 而且在不相同的稻田水体环境中噬藻体群落
结构也不同。Butina等[21]利用g20基因序列片段研究
贝加尔湖海绵噬藻体群落特征, 揭示了贝加尔湖海
绵具有其特有的、且明显不同于贝加尔湖的噬藻体
群落结构与组成。
除结构蛋白基因g20外, 主要衣壳蛋白基因g23
在肌尾病毒科噬藻体中同样具有高度保守性[37,38]。
Butina等[39]采用g23基因研究贝加尔湖水样中噬藻
体多样性, 发现该湖中g23基因的多样性极其丰富,
并进行了分类, 结果表明几乎所有g23序列与海洋
和稻田环境中的T4噬藻体及未知病毒高度相似。
López-Bueno等[40]在南极一个淡水湖中检出多种g23
基因, 结果同源性较低, 其编码氨基酸的序列与大
多数已知同类基因的序列相似性低于80%。此外,
Kimura等[41]采用噬藻体尾鞘基因(g91)揭示了微囊
藻噬藻体在环境中具有极其丰富的遗传多样性, 并
推测淡水环境内的噬藻体类群明显不同于海洋环境
中的噬藻体类群。
3.2 DNA 聚合酶
DNA聚合酶是DNA复制所需的一种生化酶, 在
短尾噬藻体基因组中具有一定的保守性, 成为短尾
噬藻体多样性及其亲缘关系研究的主要分子标记。
Labonte和Chan等[42–43]先后从肌尾和短尾病毒科的
噬藻体中鉴定了DNA聚合酶基因和线粒体DNA聚
合酶基因, 并发现加拿大乔治亚湾及墨西哥东北部
湾的短尾科噬藻体分布非常广泛, 且具有丰富的遗
传多样性。Chen等[44]根据海洋短尾科噬藻体DNA聚
合酶基因序列设计兼并引物, 对美国切萨皮克海湾
夏、冬两季表层、中层及底层水中的短尾噬藻体的
多样性进行研究, 揭示该海域短尾噬藻体相当丰富,
且其种群结构及多样性呈现出明显的季节性变化。
黄思军等[45]利用DNA聚合酶基因序列对世界多处
采集病毒样品进行扩增, 揭示了全球海洋中短尾噬
藻体的广泛分布。最近, Wang等[46]采用DNA聚合酶
基因研究了我国武汉东湖短尾噬藻体的遗传多样性
及其动态变化, 并根据DNA聚合酶基因序列系统发
育树分析, 发现该湖泊内大部分短尾噬藻体与海洋
短尾噬藻体具有较近的亲缘关系。
3.3 辅助代谢基因(AMGs)
近年来, 噬藻体辅助代谢基因AMGs被作为成
为一种辅助方法, 用于研究噬藻体遗传多样性及其
在进化过程中与蓝藻之间的相互关系。它们是噬藻
体编码的一类特殊功能基因, 且不属于某一特定形
态噬藻体, 将其作为噬藻体检测的分子标记, 不仅
2 期 高恶斌, 等. 噬藻体遗传多样性及其分子生态学研究现状与展望 169

有助于全面认识环境中噬藻体种群结构及遗传多样
性, 而且有助于了解噬藻体的感染复制机制及其与
水华蓝藻生理状况的密切联系。目前, 被作为标靶
基因的辅助代谢基因 , 主要包括光合作用基因
(psbA/psbD)、焦磷核苷酸水解酶基因(mazG)及磷酸
盐诱导基因(phoH)等。光合作用基因psbA、psbD分
别编码光系统Ⅱ反应中心的的D1和D2蛋白, 是宿主
光调控的关键基因[47], 其序列具有一定的保守性。
Sullivan等[13]利用光合基因psbA对海洋及淡水噬藻
体的遗传多样性进行研究, 发现海洋噬藻体具有不
同于淡水噬藻体的进化过程, 而且同一地理区域的
噬藻体psbA基因结构也存有差异。Che′nard等[48]根
据psbA基因序列对海洋及淡水噬藻体的遗传多样性
进行研究, 并构建了系统发育树, 结果也表明海洋
噬藻体具有不同于淡水噬藻体的进化历程。此外,
他们还发现噬藻体psbA基因与蓝藻psbA基因同属
一进化枝, 由此推测噬藻体携带的光合基因可能来
源其宿主。Bryan等[49]利用焦磷核苷酸水解酶基因
(mazG)揭示了噬藻体呈全球性分布, 并根据mazG基
因构建了噬藻体与其宿主蓝藻的进化发育树, 推测
噬藻体的mazG基因可能不是从其宿主中获得。
Goldsmith等[50]采用磷酸盐诱导基因phoH作为分子
标记用于海洋病毒多样性分析, 发现phoH基因具有
丰富的序列多样性, 而且大多数序列与已知序列不
同。此外, 他们还发现海洋病毒似乎依据它们宿主的
不同营养方式进行相似聚类, 其中噬藻体具有独立
的系统进化枝, 明显有别于海洋噬菌体及藻病毒。
4 噬藻体遗传多样性的分子方法
噬藻体在自然环境中的种群组成及时空分布是
噬藻体分子生态学研究的重要内容。由于传统的监
测与鉴定方法在环境样品中应用效率低, 容易丢失
一些重要的遗传类型, 对现场样品的原位(in situ)研
究存在很大的局限性。分子方法相对准确且快速,
并克服了传统方法应用上的不足, 为研究噬藻体多
样性、时空分布及其与环境因子动态变化的关系提供
了新的检测手段。目前已被用于研究噬藻体多样性的
分子生态学方法主要包括: 克隆文库(Cloning library)、
脉冲场凝胶电泳(Pulsed-Field Gel Electrophoresis)、
DNA 指纹图谱(DNA Fingerprinting)、宏基因组文库
(Metagenomics library)等。
4.1 克隆文库
克隆文库分析方法是首先从环境样品中提取出
浮游病毒基因组总 DNA, 利用针对病毒的标记基因
序列设计通用引物对样品总 DNA 进行 PCR 扩增,
将 PCR 产物与合适的克隆载体连接, 并转化感受态
细胞, 得到大量含有不同标记基因序列的转化子,
然后对这些转化子的标记基因序列采用测序技术或
PCR/RFLP 进行定性分析。通过针对 g20 基因序列
并构建克隆文库, 研究发现河口与开放海域间蓝藻
病毒种类组成及结构完全不同, 同一位点处不同深
度差异也很大[34]。Wilhelm 等[31]依据 g20 基因序列
构建加拿大 Laurentian 湖中聚球藻噬藻体的克隆文
库, 分析发现噬藻体广泛分布于该湖的东、中和西
部, 而且淡水噬藻体与海洋噬藻体的遗传多样性有
很大的相关性, 但是又各成一支, 推测其原因是与
它们感染的蓝藻宿主有关。根据克隆文库分析结果,
Labonté 等[42]发现加拿大乔治亚湾及墨西哥东北部
湾的短尾科病毒分布非常广泛, Che′nard 等[48]发现
海洋噬藻体具有不同于淡水噬藻体的进化过程, 且
推测噬藻体携带的光合基因来源其宿主。
4.2 脉冲场凝胶电泳
脉冲场凝胶电泳(PFGE)是一项借助于有规律地
改变电场方向而使大分子 DNA 得以分离的电泳技
术, 被广泛应用于所有的生物基因组结构和功能的
研究。由于该技术具有重复性好、分辨力强、易标
准化等优点, 结果准确稳定, 不受表型形状干扰,
被认为是进行分子生物学分型的可信方法之一, 为
确定同种生物之间的亲缘关系提供了可靠的技术支
持。目前, PFGE 技术已广泛用于研究不同水体中病
毒基因组的大小、丰度及不同基因组大小病毒与环
境因素间的相互关系。Sandaa 与 Larsen 利用 PFGE
技术发现挪威海岸水域中的病毒群落多样性十分丰
富[51], 并呈现明显的季节性动态变化。刘艳鸣等[52]
采用 PFGE 揭示中国武汉东湖存在 5 种不同大小的
病毒基因组, 大小范围在 15~300kb 之间, 并证实了
噬菌体和噬藻体是构成东湖中浮游病毒群落的优势
类群。为了探索自然环境中噬藻体光合作用基因及
其多样性, Sandaa 等[53]采用噬藻体光合作用基因引
物进行 PCR 检测, 结果发现 PFGE 分离的病毒中多
数都含有 psbA 和 psbD, 两类病毒只含有 psbA, 一
类病毒只含有 psbD。
170 生 态 科 学 35 卷

4.3 DNA 指纹图谱
DNA指纹图谱是用PCR扩增浮游病毒样品总
DNA的标记基因序列, 然后用合适的电泳技术将其
分离而成的具有特定条带特征的图谱。DNA指纹模
式的不同就反映种群结构的不同。按分离依据不同,
DNA指纹图谱可分为限制性酶切片段长度多态性图
谱(RFLP)、末端限制性片段长度多态性图谱(T-RLFP)、
随机扩增多态性DNA图谱(RAPD)和变性梯度凝胶
电泳图谱(DGGE)。Marston等[54]利用RFLP技术研究
美国罗德洲近海海域噬藻体遗传多样性时, 鉴定了
36种不同肌尾噬藻体的g20基因型, 而推测短尾噬
藻体与长尾噬藻体是该海域内噬藻体种群的主要成
员。Winget等[55]采用RAPD-PCR评估Chesapeake海湾
中噬藻体群落的丰富度动态变化, 揭示了噬藻体
多样性的时间变化要比空间变化更加明显。Wilson
等[56]针对DNA多聚酶基因片段, 采用PCR-DGGE技
术揭示了福克兰群岛到英联合王国的大西洋横断
面噬藻体的遗传多样性及结构组成与水体分层密
切相关。
4.4 宏基因组学
宏基因组学研究的基本思路是直接提取环境中
特定微生物群落的基因组总DNA, 克隆到合适的载
体, 转化宿主细胞, 形成一个高度复杂的重组DNA
文库, 从文库中获得相关基因, 避免了传统微生物
学基于分离培养研究的限制。宏基因组学不仅可以
提供自然环境中浮游病毒的群落结构及多样性数
据, 而且可以提供一些潜在的病毒种群结构数据。
Sharon等[57–58]通过比较分析环境病毒宏基因组文库
序列, 获得一系列与光合系统I(PSI)相关的基因序列,
并揭示了光合系统基因在噬藻体中普遍存在。Ma等
[23]利用宏基因组技术研究了近海水域噬藻体的多样
性及其基因组动态变化, 并依据T4噬菌体核心基因
构建系统进化树, 揭示海洋中未知噬藻体的多样性
非常丰富。Hevroni等[24]利用宏基因组结合PCR的方
法对太平洋噬藻体光合基因的多样性进行研究, 揭
示了光合系统PSII与PSI基因的水平能够促进噬藻
体的生态适应性, 且推测噬藻体PSI基因的多样性远
比起初我们估计得还要丰度。Roux等[60]运用宏基因
组学方法对两个淡水湖中的病毒群落进行了分析,
结果显示淡水水体中非常丰富的噬藻体多样性, 且
它们基因组成显著差异。
5 噬藻体遗传多样性的未来研究
噬藻体多样性及其生态作用一直倍受研究人员
的高度关注, 尤其是对有害蓝藻水华控制成为水环
境科学、病毒学及藻类研究的重要关注方向。近年
来, 借助分子生态学的研究手段从分子水平上开展
不同水生态环境中噬藻体多样性的研究, 并取得了
一定阶段性成果。然而, 噬藻体遗传多样性的研究
是以大量的噬藻体遗传信息为基础, 现有微生物分
离培养技术不能满足未知噬藻体的分离鉴定, 从而
在一定程度上限制了噬藻体多样性。
根据已经取得的研究成果, 结合分子生态学研
究手段, 在未来噬藻体生态学研究中, 我们可考虑
从以下几个方面研究: 1)进一步优化与改进微生物
分离培养技术, 从不同生境中分离出更多的纯系噬
藻体, 用于丰富噬藻体及其基因组资源, 并从分子
水平、蛋白水平对所得的噬藻体进行生物学与生态
学研究; 2)着重于对富营养化水体中噬藻体的分布、
丰度及其与蓝藻数量变化之间的相互关系研究, 将
噬藻体作为防治有害蓝藻水华的有效生物调控因子
加以利用; 3)综合运用现代微生物分子识别技术, 如
蛋白质组学、宏基因组学及基因芯片等, 深入发掘
海洋及淡水环境中未知噬藻体基因序列, 对噬藻体
多样性进行全面研究; 4)将多种研究手段结合起来
进行噬藻体多样性研究, 因为任何一种研究方法都
有各自的缺点和不足, 多种方法的联合使用可以取
长补短, 减少单一分析技术的局限性, 综合各类技
术的优势, 使获得的浮游病毒生态学信息更为客
观、真实和有效。
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