全 文 ：第23卷 第4期
2011年4月
生命科学
Chinese Bulletin of Life Sciences
Vol. 23, No. 4
Apr., 2011
文章编号：1004-0374(2011)04-0402-05
水环境低温噬菌体多样性研究进展
季秀玲，林连兵，张　琦，魏云林*
(昆明理工大学生物工程技术研究中心，昆明 650224)
摘　要：低温环境分布最广，生物圈约 80%以上的部分为常年低于 5℃的低温地区，而在水环境 (包括深海、
极地海洋、海冰和高纬度湖泊等 )中病毒的分布和含量是非常丰富的。在这些低温环境中，噬菌体在生态
系统调控、全球生物地球化学循环 (尤其是碳循环 )、深海代谢和生物基因多样性保存等方面扮演着重要角
色。该文主要对海洋和淡水湖泊中低温噬菌体的多样性进行简要综述。
关键词：海洋；淡水湖泊；低温噬菌体；多样性
中图分类号：Q939 48; Q939.45 文献标识码：A
Research advances on the diversity of cold-active phages in aquatic
environment
JI Xiu-Ling, LIN Lian-Bing, ZHANG Qi, WEI Yun-Lin*
(Biotechnology Research Center, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650224, China)
Abstract: Low temperature environments are widely distributed. Over 80% of biosphere is below 5℃ all through
the year. Viruses are abundant in the aquatic biosphere, including in the cold environments of the deep sea, polar
oceans, sea ice and high-latitude lakes. Phages play important ecological roles in overall regulating of ecosystem
global biogeochemical cycles (especially carbon cycle), deep-sea metabolism and a reservoir of the greatest genetic
diversity on earth. Here, we briefly review the diversity of cold-active phages in marine and freshwater lakes.
Key words: marine; freshwater lakes; cold-active phages; diversity
收稿日期：2010-10-19； 修回日期：2010-11-24
基金项目：国家自然科学基金项目(30960079)；云南
省教育厅基金项目(2010Y399)
*通讯作者：E-mail: weiyunlin@yahoo.com.cn; Tel:
0871-3801018-205
噬菌体是感染细菌、真菌、放线菌或螺旋体
等微生物的病毒的总称，而低温噬菌体是指能在
4℃以下 (含 4℃ )侵染宿主并能增殖的细菌病毒 [1]。
噬菌体分布极广，凡是有细菌的场所，就可能有
相应的噬菌体存在。从自然环境温度来看，低温
环境分布最广，生物圈约 80%以上的部分为常年
低于 5℃的低温地区，而在水环境 (包括深海、极
地海洋、海冰和高纬度湖泊等 )中病毒的分布和含
量是非常丰富的，平均可达到 106~108 个 /mL，其
中绝大部分为噬菌体 [2,3]。它们是维持这些环境生
态平衡最重要的生物因素，具有无可替代的生态作
用 [4]。
噬菌体的多样性研究内容包括研究不同噬菌体
种群在特定环境中的分布、组成、数量以及发生、
发育及演替规律。近年来，由于全球气候变化给海
洋、湖泊、湿地等带来非常显著的影响，噬菌体作
为海洋和湖泊生态系统中的一个重要组成部分，其
多样性及其在生态系统中的作用也成了现代微生物
学和生态学的研究热点 [5-7]。研究显示，长期被人
们忽视的病毒在淡水和海水中是广泛存在的，且丰
度很高 [5,8]，它们在微生物循环中成为除理化因子
以外的最重要的生物因子，通过直接和间接方式深
刻地影响着海洋、湖泊的物质循环，在海洋中近
70%的海洋蓝藻和 60%的游离异养菌及淡水中
90%~100%的细菌死亡与噬菌体密切相关 [9,10]，而
地球上 26%的有机碳循环是经由海洋病毒完成的 [11]
(图 1)。
季秀玲，等：水环境低温噬菌体多样性研究进展第4期 403
国外对低温噬菌体的研究可追溯到 20世纪 20
年代。1927年，Elder和 Tanner[12]从污水中一株未鉴
定的细菌中分离到低温“裂解性噬菌体”，但关于噬
菌体—宿主系统未作深入研究。而 Olsen等 [13]首次
对分离自污水并侵染假单胞菌的低温噬菌体进行了
系统研究，结果发现：与 25℃相比，5种噬菌体在
3.5℃时均具有较长的潜伏周期 (6~12 h VS 0.5~1 h)
和较少的裂解量 (6~25 VS 23~120)。
目前，噬菌体的多样性研究在探讨一些特殊环
境中的生态学问题，尤其是深海及沉积物中病毒多
样性检测与分析研究、湖泊沉积物中的地质微生物
学研究以及特殊生境中病毒在全球生态系统中的作
用研究等方面已取得许多突破性成果 [14-16]。 海水和
淡水中的病毒及其在全球生态系统中的角色已逐步
得到科学界认可，其研究成为近年 Nature和 Science
等国际综合性刊物关注的焦点 [17,18]。Sime-Ngando和
Colombet[8]以及 Danovaro等 [19]报道水体和深海沉积
物中的病毒在全球生态系统中 C、N、P等营养物质
循环和能量循环中扮演重要角色。我国中科院水生
所、中国海洋大学、华中师范大学等单位的学者也
展开了浮游病毒的季节分布与丰度、噬藻体的分离
鉴定、浮游病毒的检测技术等研究 [20-22]。因此，从海
水和淡水分离和鉴定有价值的噬菌体及功能基因已
成为当前国际上微生物研究领域的重要工作。
1　海洋低温噬菌体多样性研究进展
细菌是海洋生态系统的重要组成部分，除作为
分解者，还作为生产者参与海洋生物地球化学循环
和能量流动，且在无机元素再生中起着重要作用。
病毒虽然只有最简单的生命形式，却是自然水体中
数量和种类最多的生物，是海洋微生物群落的重要
组成部分，在生态系统调控、全球生物地球化学循
环，特别是碳循环中有重要的功能作用，也是一种
不可忽视的战略生物资源。
病毒可以在海洋生物间传递遗传信息，实验表
明，噬菌体介导的基因转导率在 1.58×10-8~3.7×10-8/
PFU(噬菌斑形成单位 )[23]。病毒介导海洋生物间基
因转导是海洋生态系统中最重要的基因水平转移机
制，从长期效应来讲，有利于维持海洋生物变异和
多样性。噬菌体导致的细菌溶解，是初级生产者与
消费者参与 C、N循环的重要途径之一 [24]。海洋中
噬菌体含量相当丰富，但寿命很短，噬菌体死亡后
会形成溶解态的营养物质，重新进入微生物环；不
能成功侵入细菌的噬菌体，成为核酸和氨基酸的重
要来源。显然，噬菌体的存在加速了细菌循环，使
其能够多次利用海水中的营养，对细菌“无效循环”
的形成起到很大的作用。
近年来，人们采用透射式显微镜直接计数海水
中的噬菌体数量，表明低温噬菌体能以很高的密度
存在于海水中。Elder和 Tanner[12]认为在沿岸海水
体系中，由噬菌体和原生动物所引起的细菌死亡具
有同等重要的作用。 他们在加利福尼亚圣塔莫尼卡
的海水围隔试验中，分别测量 6月份和 11月份细
菌和噬菌体含量，发现细菌含量分别为 6×109和
2×109 个；而噬菌体颗粒含量分别为 2×1010 和
1.5×1010个。形态学观察表明，低温噬菌体包括
短 尾 噬 菌 体 科 (Podoviridae)、 长 尾 噬 菌 体 科
(Siphoviridae)、肌尾噬菌体科 (Myoviridae)的双链
DNA病毒以及丝状噬菌体科 (Inoviridae)的单链
DNA病毒。海洋噬菌体中，分离到的噬菌体多为
有尾的，如肌尾噬菌体科、长尾噬菌体科等，而多
面体、丝状、球形噬菌体的数量相对较少 [17]。
国内对海洋噬菌体的研究起步较晚，张喆等 [25]
应用平板涂布培养计数法及荧光显微镜计数法，研
究了青岛近岸海域可培养异养细菌数量，以及浮游
病毒、细菌丰度和生物量的分布特征；梁彦韬等 [21]
对青岛近海水域夏季和冬季噬菌体丰度进行了分析；
时瑶 [26]对黄海西北部细菌和噬菌体的生态分布特
征及其影响因素进行了研究，盐度是影响春季噬菌
体分布的重要因素之一。
2　湖泊低温噬菌体多样性研究进展
湖泊是重要的淡水生态系统，不仅是地表水载
体和沉积矿藏储存的场所，具有调节洪流、储存水
图1 噬菌体介导的碳循环[11]
生命科学 第23卷404
份、保存生物基因等功能，还是岩石圈、陆地水圈、
生物圈和大气圈的交结点，特别是内陆湖泊对气候、
环境系统的变化反应极为敏感，这使得其成为湖区
气候变化和气候变异的指示器。湖泊是十分理想的
古环境信息库，湖泊的形成与演化完整地记录了自
然环境的变迁过程。湖泊生态系统是指湖泊内所有
生物 (即生物群落 )与它们的理化环境相互作用，
通过物质循环和能流而构成的具有一定结构和功能
的统一体。
国外对淡水湖泊噬菌体的研究相对较多。
Tijdens等 [27]利用表面荧光显微镜、脉冲场电泳
(PFGE)、流式细胞仪和变性梯度凝胶电泳 (DGGE)
对荷兰富营养化湖泊的病毒、细菌和浮游植物的种
群动态和多样性进行了研究。Colombet等 [28]对法
国湖泊浮游病毒丰度与季节变化及微生物种群关系
进行了研究，发现厌氧滞水层是病毒和异氧微生物
的栖息地。Bettarel等 [29]对法国贫营养湖泊和富营
养湖泊生态系统中病毒活性进行研究。Sawstrom等 [30]
对南极两个超贫营养湖泊中病毒对微生物，尤其是
对细菌的影响进行了系统研究，发现病毒在湖泊中
具有重要生态作用，尤其是细菌溶解产生的有机 C
的流动和再同化。
国内对湖泊噬菌体的研究起步较晚，位于武汉
的东湖是中国最大的城中湖，也是淡水生态学研究
的模式湖。刘艳鸣等 [22]对武汉东湖噬菌体丰度分
布及其多样性进行研究，随着水体深度不同，水体
理化因子发生变化，噬菌体的丰度也发生相应变化；
浮游病毒丰度 7.7×108~3.0×109 个 /mL，是目前报道
的自然水生态系统中病毒丰度最高的，而且病毒的
空间分布与叶绿素 a的浓度相关 [31]；进一步研究发
现病毒的丰度和季节性变化与采样点的营养程度有
关 [32]。张奇亚和桂建芳 [20]采取荧光显微计数和超
微观察，对东湖中 8个采样点的噬菌体分布、种群
结构、与宿主的关系等进行了测定分析；此外，分
离到了只侵染东湖阿氏浮丝藻 (Planktothrix agardhii)
的病毒——嗜藻体 PaV-LD，该病毒并不侵染其他
区域的藻类，这是关于淡水湖泊中侵染丝状藻类的
病毒分离培养的首次报道 [33]。白晓歌等 [34]、邬建
勇等 [35]分别对长江口水体噬菌体的丰度和生态遗
传毒性进行了研究。中科院水生所在东湖不同富营
养水平湖泊观察到长尾噬菌体科、肌尾噬菌体科、
短尾噬菌体科、复层噬菌体科、囊状噬菌体科、微
小纺锤噬菌体科和覆盖噬菌体科的病毒颗粒 [22]。
世界各地对病毒粒子的生态学研究表明：病毒
在水体中的丰度与季节变化有密切关系 [27,28]，其中
温度、光照及紫外线的强度是普遍认为的主要原因。
是什么影响了病毒种群变动，控制了其稳定性呢？
溶源性和假溶源性则是最大可能 [11]。从生态学角度
来看，温和噬菌体较之烈性噬菌体有优势：一是溶
源细胞对同种噬菌体的裂解有免疫性；二是宿主丰
度很低而又要支持噬菌体裂解途径来维持种群时，
溶源是一种进化策略。当宿主和病毒的浓度都较低
时，病毒种群主要以溶源形式存在，有可能通过与
溶源性有紧密联系的普遍转导作用介导宿主基因水
平转移，从而影响细菌多样性。
3　低温噬菌体多样性研究方法
随着分子生物学研究的不断发展，其方法和技
术也渗透到了噬菌体研究中，在研究噬菌体多样性
时，也有越来越多的分子生物学技术方法可供选择。
目前，除了利用经典的分离浓缩技术、形态观察技
术 (主要是电子显微镜 )和培养法 (空斑法 )以外，
还可以通过定量技术和分子生物学技术对噬菌体多
样性进行研究。
在噬菌体定量研究方面，主要有噬菌斑计数法
(PFU)、透射电镜技术 (TEM)、表面荧光显微技术
(EIPFM)和流式细胞术 (FCM)等方法。噬菌斑计数
法是最传统的病毒计数技术，结合透射电镜计数进
行噬菌体形态鉴定，直接准确；表面荧光显微技术
利用 SYBR GreenⅠ等核酸荧光染料对样品染色，
在激发荧光显微镜下做精确计数，操作简单；流式
细胞术是对病毒的数量、单一病毒的大小、辅助生
化和生理特征进行测定的灵敏途径。
随着噬菌体分离浓缩技术提取病毒总 DNA方
法的改进，按样品中 DNA来计算病毒种类和丰度
的方法得到了改良，克服了纯培养的局限性，为全
面客观地研究噬菌体的多样性提供了可能。尤其是
基于 PCR技术发展起来的技术在噬菌体多样性分
析中得到广泛应用。通过设计特定引物，利用 PCR
技术扩增特定基因片段，并增加其丰度，大大提高
了分析检测的灵敏度和准确性。对扩增片段进行核
酸序列测定、限制性片段长度多态性 (RFLP)、
DGGE、温度梯度凝胶电泳 (TGGE)等技术分析手
段，通过在 DNA水平上的比较、统计和分析来说
明样品中噬菌体核酸基因型和基因多态性。
宏基因组 (Metagenomic)法是通过基因测序的
方法，建立某一种群噬菌体的基因库，通过与
GenBank中序列比对，判断其来源的一种基因分析
季秀玲，等：水环境低温噬菌体多样性研究进展第4期 405
方法。Cann等 [36]应用该方法发现某些特定噬菌体
在海洋中分布较多，仅感染革兰氏阴性细菌；而另
一些噬菌体在粪便中分布较多，且大多只感染革兰
氏阳性细菌，表明不同环境中的噬菌体种类反映了
所处环境中细菌的种类。噬菌体的宏基因组数据库
也可以提供一些潜在的噬菌体种群结构数据。对西
印度群岛西北的马尾藻海、墨西哥湾、不列颠哥伦
比亚海岸和加拿大北极区低温病毒宏基因组序列研
究发现病毒多样性很低，且与 SEED数据库并不匹
配 (SEED是由 GenBank数据库和已测的所有基因
组序列组成的数据库 )[37]。显然，低温噬菌体基因
多样性非常丰富，对于其在自然界的分布特征，我
们仍知之甚少，亟待研究。
4　结语
十几年前，关于低温水环境中噬菌体的研究仅
有零星报道，而目前海水和淡水噬菌体多样性及其
在生态系统中的重大作用已达成共识。因此，从海
水和淡水中分离和鉴定有价值的噬菌体及功能基因
已成为当前国际上争夺这类生物资源的又一战略高
地 [20]。近年来 ,感染嗜热微生物的高温嗜菌体已引
起越来越多的科研工作者的关注，它们主要分离自
深海热液区、陆地温泉和热海等环境，而高温酸性
极端环境中病毒的宿主主要是古菌，与细菌和真核
生物相比，古菌中仅有一小部分病毒进行了鉴定和
特征分析。云南的水热活动数量为全国第一，腾冲
又居云南之首，是我国大陆上唯一的火山—地热区。
昆明理工大学生命科学与技术学院对腾冲热海高温
噬菌体和云南高原湖泊低温噬菌体多样性进行研究
表明：高温噬菌体和低温噬菌体均存在多样性，对
它们的比较研究也正在进行中。
噬菌体具有丰富的生物多样性，它们促进了水
生物种间遗传物质交换、物种进化和水生态系统中
的能量流动，对全球生态系统有重大影响；在全球
生物地球化学循环、深海代谢和全球生物圈生态系
统功能维持方面扮演了重要角色。对极端环境噬菌
体的研究，不但可以丰富和发展人们对生命形式的
认识，而且在开发工业用酶等方面具有广泛的应用
前景。
[参　考　文　献]
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