全 文 ：综述与专论
生物技术通报
BIOTECHNOLOGY BULLETIN 2010年第 1期
噬藻体光合作用基因研究
王淼星 向安 魏大巧 夏雪山 刘丽
(昆明理工大学生命科学与技术学院,昆明 650224 )
摘 要: 感染原绿球藻和聚球藻的噬藻体基因组中普遍存在与 psbA、psbD和 h li等同源的基因, 这些基因编码的蛋白
参与光合作用, 是光合成反应中心 II( pho tosystem II, PSII)的重要组成成分,在噬藻体感染蓝藻过程中可能发挥着重要的作用。
一些假说认为这些基因可能来自于宿主并发生共进化。因此,光合作用基因的功能、起源与演变及基因多样性分布引起了人
们的关注。
关键词: 蓝藻 噬藻体 光合作用基因
Research Progress on Cyanophage Photosynthesis Gene
W angM iaox ing X iang An W eiDaqiao X ia Xueshan L iu L i
(Faculty of Life Science and T echnology, K unming University of Science and T echnology, Kunm ing 650224)
Abstrac:t M any cyanophage isolates wh ich infec t the m arine cyanobacter ia Synechococcus spp. and P rochloroco ccus spp. contain
som e genes hom o logous to psbA, psbD and hl,i wh ich code the prote ins invo lved in photosynthes is and are key components o f one o f the
pho to synthetic reac tion centers ( photosy stem II, PS II ). These photosynthesis genes seem to be play ing an im por tant ro le dur ing the
process o f infec ting. Some hypo theses suggest tha t the acquisition possib ilities o f the gene from cyanobacter ia l host to phage and coevo
lu tion w ith its host. There fore, the or ig in and evo lution, the diversity and the function of the genes attrac t grow ing attention.
Key words: Cyanobacte rial Cyanophage Pho to synthesis gene
收稿日期: 20090916
基金项目:国家自然科学基金项目 ( 30960005) ,云南省应用基础研究基金项目 ( 2009ZC 44M ) ,云南省教育厅科学研究基金项目 ( 07Y11730)
作者简介:王淼星,女,硕士研究生,微生物学专业; Ema i:l w angm iaoxing219@ 126. com
通讯作者:刘丽,硕士研究生导师; Em a i:l liu li2272@ 163. com
噬藻体是普遍存在于海洋及淡水环境中的一种
蓝藻病毒。噬藻体及其宿主是动态 海洋基因库 !
的重要贡献者,它们之间遗传物质的相互交换影响
着各自的遗传与功能多样性。共同的自然选择压力
下,噬藻体与其宿主相互作用并可能发生广泛而复
杂的共进化作用。噬藻体基因组中发现一系列与宿
主同源的基因序列,其中一些编码功能性蛋白,在噬
藻体感染及复制过程中具有重要的作用。在感染聚
球藻 (Synechococcus spp. )和原绿球藻 (P roch lorococ
cus spp. )的噬藻体基因组中发现光合作用基因,这
些基因包括 psbA、psbD、h li、以及 petE和 petF[ 3]等。
psbA、psbD基因分别编码光合反应系统 ∀ ( PS∀ )
反应中心蛋白 D1、D2, h li编码高光诱导蛋白
HL IPs, petE和 petF基因分别编码光合电子传递蛋
白的质体蓝素蛋白和铁氧化还原蛋白。噬藻体内的
光合作用基因存在普遍性及分布多样性,光合作用
基因起源和演变、以及在病毒感染宿主过程中潜在
的功能性引起了极大的关注。
1 噬藻体光合作用基因的发现
Mann等 [ 2]对噬藻体 SPM 2基因组进行分析,
序列全长 196 kb, 发现其包含一段编码光合系统
( PSII)中 D1、D2蛋白的基因区段,该基因序列区段
存在一个 3. 8 kb的区域,从 D1上游的 100 bp延伸
到 D2下游的 100 bp。同时,研究还发现 psbA基因
存在被干扰的现象, D1蛋白产物序列中存在蓝藻及
植物相关基因,在 276个氨基酸残基编码的产物中,
有 212对碱基编码的产物与已知的 D1无同源性,
但其尾部连接着 25个残余的 D1蛋白氨基酸残基。
这一现象表明, 噬藻体 SPM 2中不仅存在光合作用
基因 psbA,且 psbA含有自剪接内含子。
2010年第 1期 王淼星等:噬藻体光合作用基因研究
目前,已有 10种噬藻体的全基因组测定出来,
其中一半含有光合作用基因。分别为 PSSP7、P
SSM 2、PSSM 4、SPM 2、Syn9[ 4- 7]。对这些已知基因
组序列的噬藻体进行统计分析发现 [ 1 ] PSSM 2, P
SSM 4、SPM 2、Syn9属于肌病毒科, 主要分布有光合
作用基因 psbA和 hl,i PSSP7属于短尾病毒科,包含
petE、petF和 psbD基因。 PSSP7、PSSM 2、PSSM 4
可感染原绿球藻属; SPM 2为感染聚球藻属; Syn9
能同时感染聚球藻属和原绿球藻属。其它一些不含
有功能基因和光合作用基因的噬藻体, 原因可能是
基因组较短,容纳外源基因的能力差。
2004年, M illard等 [ 8 ]采用 PCR的方法对感染
海洋聚球藻噬藻体中 psbA和 psbD遗传区域研究
分析,在所取水样中分离出的 68个噬藻体 (全部
为肌病毒科 )中 37个含有光合作用基因, 表明海
洋中肌病毒科噬藻体普遍存在光合作用基因。
Sullivan等 [ 9]对噬藻体的光合系统反应中心基因
psbAD的研究发现, 88%的噬藻体含有 psbA基因,
50%的噬藻体同时含有 psbA和 psbD,在所有的肌
病毒科和原绿球藻的短尾病毒科中均发现 psbA,
进一步证实噬藻体中光合作用基因的存在是一个
普遍现象。然而, 原绿球藻长尾病毒科和聚球藻
短尾病毒科的噬藻体中却未发现光合作用基因,
推测光合作用基因的存在与否与感染潜伏期的长
短相关。
2 噬藻体光合作用基因来源和演变
噬藻体中光合作用基因的存在引起人们的关
注。然而,它是从何而来 、进化历程如何成为人们
研究的热点。研究报道 [ 2] , 完整的噬藻体 SPM 2的
D1蛋白序列与海洋聚球藻 WH8102的 D1蛋白序
列同源性高, 暗示噬藻体 SPM 2中该基因区段来源
于宿主。进一步的研究发现, SPM 2中 psbA与 ps
bD基因从两个独立的开放读码框分离出来,表明两
个光合作用基因是在两个独立不相关的重组事件中
获得的。来自聚球藻的光合作用基因 psbA和 psbD
遗传进化分析及其他的分子遗传标记显示, 聚球藻
细胞内存在噬藻体与宿主基因组双向的遗传信息交
换。Zeidner等 [ 10]对 psbA的序列研究分析发现,该
基因片段在噬藻体和宿主间双向交换。噬藻体中自
身基因、宿主来源的基因及宿主基因组成的基因库
影响着噬藻体的进化轨迹, 一些证据也表明基因在
整个噬藻体基因库水平内漂移并扩散至整个生态系
统中。另一些文献报道 [ 11] , 由噬藻体介导的, 导致
原绿球藻与聚球藻光合作用基因之间的转移与
重组。
对聚球藻和原绿球藻噬藻体基因组分析发
现 [ 12] , psbA和 psbD是以一个整体的方式多次从宿
主到噬藻体基因转移,但未发现从噬藻体到宿主间
的转移。部分学者认为 [ 13] , psbA多次从宿主传递
到噬藻体基因组内,但并不从噬藻体转移至宿主中;
psbD却只是单次的从宿主传递到噬藻体, 此过程也
不可逆;高光诱导蛋白基因 H liP从宿主传递到噬藻
体并在其体内发生进化, 在某一时期还会从噬藻体
中转移至宿主,但这些假设需要进一步的证实。经
过 PCR Southern b lotting鉴定及 DNA测序方法, 分
析进化关系得知光合作用基因是在噬藻体感染其宿
主过程中获得 [ 8]。系统进化树分析发现所有的噬
藻体及海洋原绿球藻和聚球藻序列均分布在一个主
要的簇内 [ 12]。
近年来, 运用 PCR技术能够扩增出淡水和海
洋噬藻体 psbA基因片段,发现淡水噬藻体与海洋
噬藻体的 psbA基因有不同的进化史, 同一地理区
域的噬藻体 psbA基因结构也存有差异 [ 12]。同样,
感染原绿球藻和聚球藻的噬藻体 psbA基因序列
也存在明显的区别, 分别来自于短尾病毒科和肌
病毒科。通过系统进化树分析不同宿主的噬藻体
psbA,可分为两个类群, 一种是感染原绿球藻属
(短尾病毒科和肌病毒科 ) ; 一种是感染聚球藻属
(肌病毒科 )。由于 psbA基因序列不属于某一特
定的病毒科,具有普遍性特点,已有文献报道 psbA
基因可作为噬藻体遗传多样性和进化史研究的一
个遗传标记 [ 14]。
噬藻体作为蓝藻病毒,经历了很长的演变历史,
它们与宿主之间相互影响。在进化过程中, 病毒不
仅获得宿主的光合作用基因, 同时还有许多其他被
称为 S ignature! [ 1 ]的功能性基因,例如,碳代谢作用
基因 talC、磷酸盐诱导基因 phoH、整合酶基因 int
等。另一方面,宿主蓝藻中也存在一些来源于噬藻
体的基因 [ 12 ]。噬藻体和宿主之间进行着基因交换,
在进化过程中相互影响,促进进化的进程。
15
生物技术通报 B iotechnology Bulletin 2010年第 1期
3 噬藻体光合作用基因的功能
3. 1 阻碍宿主的光抑制
蓝藻和其他藻类的光合作用需要两个光合系统
( PS#和 PS∀ )共同完成。D1和 D2蛋白 (分别由
psbA和 psbD基因编码 )在 PS∀反应中心形成一个
异二聚体并且与其它组分结合进行光化学反应。由
于吸收光导致的损害会使 D1蛋白迅速发生转变,
D1缺失会导致光合作用受到抑制, 所以,持久的光
合作用需要新 D1蛋白的合成 [ 15]。
高光诱导蛋白通过消解过量的光能量、保护光
合作用机制避免光损伤 [ 16]。有研究发现,光和作用
基因存在光合成单元 ( PSU )来具体操控光合作用,
主要分为 3个步骤,包括开放、关闭及损伤。当吸收
光能后, PSU为关闭状态,经过光合反应过程及储存
能量后, PSU转化为开放状态。当吸收过多的光能量
时, PSU被损伤。因此,高光诱导蛋白 (HLIP)通过吸
收多余的光能避免光损伤 PSU过程, 而且 DI蛋白能
够修复受损的 PSU,维持光合作用的进行 [ 17]。
2003年, M ann等 [ 2]在试验的基础上,预测噬藻
体光合作用基因 psbA因适应宿主感染机制演变而
来,他们提出噬藻体 SPM 2可以保护自身与其宿主
免受强光致死因素对其的影响。噬藻体 SPM 2含
有光合抑制损坏关键位点基因 psbA和 psbD, 在感
染过程中,宿主 D1蛋白合成会明显下降而导致光
抑制, SPM 2含有的光合作用基因 psbA可在宿主中
表达增加宿主中 D1蛋白的含量, 使被感染细胞避
免光抑制,宿主光合作用得以延续,也为噬藻体自身
复制提供合适的场所和所需的能量。
3. 2 生态适应性
噬藻体中光合作用基因的存在具有一定的生态
学意义。首先,光合作用基因能够为宿主及自身提
供光转化的化学能。L inde ll等 [ 18]发现在感染宿主
过程中,噬藻体光合作用基因 psbA编码大量的氨基
酸形成的蛋白与宿主蛋白有同样的功能。由于噬藻
体在水生环境中的大量存在,噬藻体光合作用基因
编码的蛋白对光能转化为化学能有重要的意义。
Ba iley
[ 19]提出噬藻体在感染海洋蓝藻过程中可能在
保护宿主避免光抑制方面起着重要的作用, 从而确
保复制过程能量的供应。其次,光合作用基因提高
噬藻体裂解量。B ragg等 [ 20]为了检测噬藻体中光合
作用基因 psbA编码和表达的作用,建立了一个简单
的模型噬藻体 PSSP7和对其宿主原绿球藻 MED4
的感染,通过试验模型预测出噬藻体 psbA基因的表
达可以导致在裂解周期内噬藻体基因组产量增加
2. 5% - 4. 5%。此外, 噬藻体产生速率依赖于光合
作用。通常,携带光合作用基因可能导致潜伏期延
长或高的裂解量。同时, 也有文献报道噬藻体光合
作用基因的生态适应性与光照强度相关, H ell
weger
[ 17]发现, 在不同的光照度下,噬藻体中所需的
光合作用基因数量 ( psbA和 h li)及最佳组合存在
差异, 在水深度超过 30 m的光强度下, 光合作用
基因是非必须的, 如水深 120m处光照下, 最佳光
合作用基因组合为 0个 psbA和 1个 h l,i由此可
见,噬藻体中光合作用基因在强光照条件下能够
增强其适应性, 但适应性的增加与光照度在一定
程度呈现相关性。
3. 3 生化功能
一些研究表明, 携带光合作用基因能够增加噬
藻体的生化功能。首先, 宿主细胞内核酸量是裂解
量的限制因素。在海洋水体环境中, 宿主密度最低
的区域其病毒裂解量最大, 这就意味着新噬藻体的
产生不会停止, 直到出现限制性因素, 最后细胞裂
解。同时,研究也表明, 宿主细胞 DNA是噬藻体复
制过程中基因组核苷酸来源。然而, 在噬藻体 P
SSP7中发现降解 RNA酶基因, 表明 RNA也可能是
核苷酸的来源。观察到的细胞裂解量与病毒 DNA
大小进行联合分析,发现细胞 DNA是海洋中裂解量
的限制因素。 Shan等 [ 21]发现, 运用聚球藻噬藻体
WH 7803和 SPM 2模型系统, 采用分光光度法和
SDSPAGE的方法检测出噬藻体感染的蓝藻细胞中
藻红蛋白量的增加,同时, 实时荧光定量 PCR方法
检测结果进一步发现,在感染细胞过程中,藻红蛋白
的转录水平, mpeBA和 cpeBA等均呈现相关性增
加。通过对氨基酸序列分析发现, 光合作用基因保
守性好,可能暗示噬藻体在感染宿主的过程还存在
其他重要的作用 [ 18]。
4 噬藻体光合作用基因研究方法
4. 1 分子生物学的检测方法
对噬藻体光合作用基因研究主要采用分子生物
学研究手段。目前,已初步建立了以 PCR为核心的
16
2010年第 1期 王淼星等:噬藻体光合作用基因研究
基因检测技术。采用 PCR技术对噬藻体光合作用
相关基因进行扩增后,结合运用如核酸分子杂交、双
变性凝胶梯度电泳 ( DDGGE ), 分光光度法等高灵敏
度的检测方法加以检测对其进行鉴别。运用分子遗
传标记、DNA序列分析方法及 BLASTp等进一步研
究噬藻体与噬藻体或噬藻体与宿主间光合作用基因
系统进化关系、多样性分布及基因功能。这些技术
为研究噬藻体及其宿主遗传信息间的相互作用和进
化关系提供了重要的依据, 受到人们的广泛关注。
很多研究利用 PCR扩增方法检测海洋和淡水噬藻
体中光合作用基因是否存在及分析其功能性和多样
性。最近, Shan等 [ 21]采用了更为精准的荧光定量
检测技术研究噬藻体光合作用基因与藻红蛋白表达
量的相关性。
4. 2 生态学研究方法
在研究噬藻体感染宿主机制及功能基因对感染
过程的影响时, 需要噬藻体的生态学研究模型。
B ragg
[ 20]用原绿球藻噬藻体MED4和 PSSP7为模型
研究噬藻体光合作用基因感染宿主过程生态适应性
影响。一些数学及其他学科的的先进技术也应用于
光合作用基因的研究, T zahor等 [ 22] 利用 SVM 和
cuPSSM联合计算方法对光合反应中心系统∀基因
片段 (包括 DNA和 RNA )进行了快速准确的分类。
将噬藻体感染模型应用为光合作用基因的多样性、
功能性研究提供了新的研究手段, 为了解噬藻体感
染宿主的机理、噬藻体与宿主的进化演变关系以及
噬藻体含有光合作用基因对感染过程的影响提供方
法性指导。
5 展望
自上世纪 90年代以来,运用各种现代技术手段
对噬藻体的基因组及功能基因展开研究并取得了一
些成果,噬藻体中光合作用基因的发现为人们对噬
藻体的研究打开了一个新的窗口, 为研究自然水体
环境中噬藻体与宿主间的基因多样性及进化历程提
供了依据。但噬藻体中光合作用基因来源与宿主的
作用机制需要进一步的研究证实,同时,在长期的进
化过程中,噬藻体与宿主在光合作用基因以及其他
的功能基因进化是如何相互影响的还无从得知。噬
藻体中光合作用基因在感染宿主过程中可能发挥着
重要的作用,目前的数据显示光合作用基因的功能
有限,未来的研究将进一步立足于光合作用基因相
关的功能研究,结合光合作用基因的遗传特性、多样
性分布及与宿主的相互作用关系的相关研究, 为不
同环境下噬藻体及宿主遗传信息的相互作用研究提
供参考性数据。
参 考 文 献
[ 1] Su ll ivan MB, Co lem an ML, W eigele P, et a.l Three Proch lorococcus
cyanophage genom es: s ignatu re features and ecological interpreta
t ions. PLoS B io,l 2005, 3( 5 ): 144.
[ 2 ] Mann NH, C ook A, M i llard A, et a.l M arine ecosystem s: b acterial
photosyn th es is gen es in a viru s. Natu re, 2003, 424( 6950 ) : 741.
[ 3] L indellD, Su ll ivan MB, John son ZI, et a.l T ran sfer of ph otosynthes is
gen es to and from Proch lorococcu s viruses. ProcN at lAcad SciUSA,
2004, 101( 30) : 110138.
[ 4] Su ll ivan MB, Co lem an ML, W eigele P, et a.l Three Proch lorococcus
cyanophage genom es: s ignatu re features and ecological interpreta
t ions. PLoS B io,l 2005, 3 ( 5) : 144.
[ 5] M ann NH, C lokie MR, M illard A, et a.l The genom e of SPM2, a
"photosyn th tic" T4type b acteriophage that in fectsm arine Synecho
coccus stra ins. J Bacterio,l 2005, 187( 9) : 3188200.
[ 6] W eigele PR, Pope WH, Pedu llaML, et a.l Genom ic and structu ral a
n alysis of Syn9, a cyanophage in fecting m arine Proch lorococcu s and
Synech ococcu s. EnvironM icrobio,l 2007, 9: 167595.
[ 7] Pope WH, W eigele PR, Chang J, et a.l G enom e sequ ence, s tru ctural
proteins, and caps id organ ization of the cyanophage Syn5: a
horned! bacteriophage ofm arine synechococcu s. JM ol B io,l 2007,
368( 4) : 96681.
[ 8] M illard A, C lok ie MR, Shub DA, et a.l G enetic organ ization of the
psbAD region in phages in fecting m arin e Syn echococcus strain s. Proc
NatlA cad SciUSA, 2004, 101 ( 30) : 1100712.
[ 9] Su llivan MB, L indell D, L ee JA, et a.l P revalen ce and evolu tion of
core photosys tem II gen es inm arine cyanob acterial viruses and their
h osts. PLoS B io,l 2006, 4 ( 8) : 234.
[ 10] Zeidner G, B ielaw sk i JP, Shm oish M, et a.l Potent ial ph otosynthes is
gene recom b ination betw een Proch lorococcus and Syn echococcus
via v ira l intermediates. Env ironM icrob io,l 2005, 7 ( 10) : 150513.
[ 11] Wang K, C hen F. Prevalen ce of h igh ly hostspecif ic cyanophages in
th e es tuarine environm en t. Environ M icrob io,l 2008, 10 ( 2 ):
30012.
[ 12] Chn ard C, Sutt le CA. Phylogenet ic divers ity of sequences of cya
noph age photosyn th et ic gene psbA inm arine and freshw aters. App l
Environ M icrob io,l 2008, 74( 17) : 531724.
[ 13] Pau l JH, Su llivanMB. M arine phage genom ics: what have w e learn
ed. Cu rr Op in B iotechno.l 2005, 16( 3) : 299307.
[ 14] Chnard C, Su ttle CA. Phylogen et ic d ivers ity of sequences of cya
17
生物技术通报 B iotechnology Bulletin 2010年第 1期
nophage photosynthetic gen e psbA in m arin e and freshw aters. A pp l
E nvironM icrob io,l 2008, 74( 17) : 531724.
[ 15] Ad ir N, ZerH, ShochatS, et a.l Photoinh ib ition a h istoricalperspec
t ive. Photosyn th R es, 2003, 76: 343370.
[ 16 ] H avaux M, Gued eney G, H e Q, et a.l E lim ination of h ighlight in
ducib le po lypep tides related to eukaryotic chlorophyll a /bb ind ing
protein s resu lts in aberran t photoaccl imat ion in Syn echocystis
PCC 6803. B ioch im B iophys Acta, 2003, 1557: 2133.
[ 17 ] H ellw eger FL. Carrying photosyn th es is gen es in creases ecological
fitn ess of Cyanophage in silico. Environ M icrob io,l 2009, 11 ( 6 ) :
138694.
[ 18 ] L indel lD, Jaffe JD, Johnson ZI, et a.l Photosynthes is genes in ma
rin e viruses yield proteins during host infect ion. Natu re, 2005, 438
( 7064) : 869.
[ 19 ] B ailey S, C lok ie MR, M illard A, et a.l Cyanophage infect ion and
photoinh ib ition in m arine cyanob acteria. ResM icrob io,l 2004, 155
( 9) : 7205.
[ 20] Bragg JG, Ch isholm SW. Modeling the fitn ess consequen ces of a cy
anophage en coded photosyn thesis gene. PLoS One, 2008, 3
( 10) : 3550.
[ 21] Shan J, Jia Y, C lok ie MR, et a.l In fection by th e ∃ photosynthetic%
phage SPM 2 indu ces increased syn th es is of phycoerythrin in Syne
chococcus sp. WH 7803. FEMS M icrob iol Lett, 2008, 283 ( 2 ):
15461.
[ 22 ] Tzahor S, M anAharon ovich D, K irkup BC, et a.l A sup erv ised
learn ing app roach for taxon om ic class ification of corephotosystem
II genes and transcripts in the m arine environm en t. BMC Genom
ics, 2009, 10: 22.
科学出版社新书
云南德宏州高等植物 (上下册 )
刘世龙 赵见明 主编
英文版 9787030258878 32000 2009年 11月出版
内容简介: 本书记载了德宏傣族景颇族自治州高等植物 6033种 1908属 339科, 包括苔
藓植物 43科 88属 147种, 蕨类植物 49科 115属 337种,种子植物 247科 1705属 5549种,其
中, 裸子植物 10科 22属 52种,被子植物 237科 1683属 5497种, 原生植物 5349种,引种栽
培植物 684种。书中载有珍稀、濒危保护植物和该州特有等重要植物彩图 71张, 植物线图
4799幅,图文并茂。每种植物除列出别名外, 还有产地、分布、生境、习性和用途等说明, 并
收集了部分植物的本地傣族和景颇族习用的植物名称,采用民族文、国际音标和汉语拼音注
音, 颇具特色,方便使用。
本书可供科研单位、高等院校师生及各级农林牧业、园艺园林、中医中药、珍稀濒危植物
保护管理和经济动物养殖等部门使用,也可为海关、商检、邮政、交通、防疫、卫生等部门提供
基本资料和参考。
欢迎各界人士邮购科学出版社各类图书 (免邮费 )
邮购地址: 北京东黄城根北街 16号
科学出版社 科学出版中心 生命科学分社 邮 编 : 100717
联系人: 李韶文 ( 010 64000849) 周文宇 ( 01064031535)
更多精彩图书请登陆网站 http: / /www. lifescience com cn, 欢迎致电索要书目
18