噬菌体大追踪！探秘海洋中的“僵尸细胞”现象
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当我们想到海洋，常常会联想到辽阔无垠的蓝色、丰富多彩的生物，以及蔚为壮观的海洋生态系统。然而，在这个神秘的蓝色世界里，隐藏着许多未被揭示的奥秘。“海洋与湿地”（OceanWetlands）小编小编注意到，近期，来自马克斯·普朗克海洋微生物研究所的一项研究揭示了海洋中一种令人惊讶的现象——“僵尸细胞”的存在。
2024年5月17日，德国马克斯·普朗克海洋微生物研究所的科学家领导的研究团队在《自然通讯》期刊上发表了一项关于海洋中僵尸细胞的研究。这项研究揭示了病毒是如何控制着海洋表层水域中最常见的细菌之一——SAR11细菌，从而对海洋生态系统中微生物的相互作用和碳循环产生重大影响。“海洋与湿地”（OceanWetlands）小编注意到，来自中国福建农林大学农林科学与生态学院的Yanlin Zhao是该研究的共同作者之一。
在德国赫尔戈兰岛（Helgoland Roads）周围海域的春季藻类大量繁殖，正是这项研究的关键研究对象。马克斯·普朗克海洋微生物研究所的科学家们2020年曾观察到，SAR11细菌在这种藻类大量繁殖期间生长速度异常快。然而，尽管它们生长迅速，但在短短五天内，SAR11细菌的数量却急剧下降了约90%。这一现象表明，SAR11细菌很可能受到了捕食者和/或病毒感染的快速削减。这种下降现象与其他丰度较高的细菌浮游生物不同，因此研究人员推测这可能是由病毒感染引起的。为了解决这个问题，他们使用了先进的显微技术来量化受到pelagiphage感染的细胞数量，并在全球范围内进行了相应的调查，以揭示这一现象的普遍性。
（图：德国海湾赫尔戈兰岛上的日落，这是马克斯·普朗克海洋微生物研究所的研究人员获取样本的地方。Jan Brüwer/马克斯·普朗克海洋微生物研究所。）
科学家们通过追踪感染SAR11细菌的噬菌体（Phages）来寻找感染源。他们利用一种技术，能够“追踪”噬菌体的遗传物质进入细胞的过程。研究发现，在快速生长期间，如春季藻类大量繁殖期间，近20%的SAR11细菌被感染，这解释了细胞数量之所以稀少的原因。因此，噬菌体是解释这一谜团的关键因素。
然而，更令科学家们惊讶的是，研究发现了更多的现象。他们发现，一些被噬菌体感染的SAR11细菌不再含有核糖体。这些细胞可能处于生死交替的状态，因此被称为“僵尸”细胞。
（在显微镜下，科学家们通过SAR11僵尸细胞明显缺乏核糖体来加以识别。以一例对比活着的受感染的SAR11细胞和僵尸细胞的情况为例：蓝色代表细菌DNA，黄色显示核糖体，紫色突出显示噬菌体基因。活细胞（上图）显示了三种颜色，而僵尸细胞（下图）缺乏黄色核糖体信号。右侧最后一列图像将这些颜色合并，清晰地区分了这两种细胞类型。图片来源 Jan Brüwer/马克斯·普朗克海洋微生物研究所。）
值得注意的是，这种“僵尸”细胞并不仅限于实验室中的纯SAR11培养物，还在赫尔戈兰岛周围收集的样本中发现。此外，对大西洋、南大洋和太平洋的样本进行分析也表明，僵尸细胞普遍存在，这表明这种现象在全球范围内都有发生。
“在我们的研究中，僵尸细胞在海洋中占所有细胞的10%。这一现象的全球性发现扩大了我们对病毒感染周期的认识，”研究人员强调道。“我们怀疑，在僵尸细胞中，核糖体中含有的核酸正在被分解和回收，以制造新的噬菌体DNA。”
这一研究成果拓展了人类对海洋微生物相互作用和病毒感染周期的认识，为理解海洋生态系统的运行机制提供了新的视角。研究人员假设，不仅SAR11细菌，其他细菌也是可能被转化为僵尸细胞的。因此，他们希望进一步调查僵尸细胞的分布、及其在病毒感染周期中的作用。
（上图：地图上显示了不同航次和长期生态研究站Helgoland Roads的取样位置。左Y轴显示了SAR11的相对丰度，右Y轴显示了受到噬菌体感染的SAR11的相对丰度，以及僵尸细胞的相对丰度（右Y轴），这些数据来自大西洋、南大洋和太平洋，括号中标注了对应的航次。原始数据显示为单个数据点，区域表示大西洋和太平洋的loess平滑。显示了没有平滑的南大洋数据的子集（方框）。南大洋的完整数据可见于图S4中。每个显示的数据点均采样于N=1个站点。图源：Brüwer, J.D., Sidhu, C., Zhao, Y. Eich, A., Rössler, L., Orellana, L.H., Fuchs, B.M (2024).）
感兴趣的“海洋与湿地”（OceanWetlands）读者可以参看全文：
Brüwer, J.D., Sidhu, C., Zhao, Y. Eich, A., Rössler, L., Orellana, L.H., Fuchs, B.M (2024). Globally occurring pelagiphage infections create ribosome-deprived cells, Nat Commun (02 May 2024).
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-48172-w
海洋与湿地·小百科
SAR11细菌
SAR11细菌（SAR11 Bacteria）是一类小型、革兰氏阴性、海洋浮游细菌，属于Alphaproteobacteria门Pelagibacterales目，它们是海洋微生物群落中最丰富的成员之一，占据了海洋表层水域约三分之一的细菌数量，对海洋生态系统的功能和稳定性起着重要作用。它们广泛分布于世界各地的海洋中，尤其是在表层水域中。作为海洋生态系统中的初级生产者，SAR11细菌通过光合作用从阳光中获取能量，是重要的碳循环者，能够将大气中的二氧化碳转化为有机碳。
SAR11细菌是地球上最小的细菌之一，其细胞直径仅为0.2微米。而且，细菌的基因组非常小，只有大约60万个碱基对。SAR11细菌具有独特的代谢能力，使其能够在海洋的低营养环境中生存。它们可以利用其他微生物产生的光合有机物，同时能够吸收水中的溶解氨基酸和糖类物质。此外，SAR11细菌还表现出很强的适应性，能够忍受广泛的环境条件，包括高温、低盐度和强光等。
它们能够利用来自其他微生物的光合作用产生的各种有机物，包括糖、氨基酸和维生素。这类细菌也是重要的碳循环者，有助于调节地球气候。在海洋生态系统中，SAR11细菌发挥着重要作用。它们构成了许多海洋食物链的基础，为鱼类、虾和其他海洋生物提供了重要的食物来源。同时，作为碳循环者，SAR11细菌有助于调节地球气候，对地球生态系统的平衡起着至关重要的作用。
可以说，它们是理解海洋微生物群落结构和功能的比较理想的模型。近年来，SAR11细菌成为了科学研究的热点。科学家们对这些细菌的代谢、生态学和进化过程充满了兴趣。对SAR11细菌的深入研究有望为我们提供关于海洋微生物群落及其在全球生态系统中作用的新见解。
僵尸细胞
僵尸细胞（Zombie Cells）是指被病毒感染后，失去了生命特征但仍存活的细胞状态，可能对细菌群落的生态功能产生影响。在海洋生态系统中，本研究的研究人员发现了这种神秘的细胞状态，其中一种典型的例子是SAR11细菌。其特征是缺乏任何可检测的16S核糖体RNA。当SAR11细菌受到噬菌体（一种感染细菌的病毒）的感染后，部分细胞会表现出僵尸细胞的特征。
具体来讲，当SAR11细胞受到噬菌体感染后，部分细胞可能会失去核糖体（负责蛋白质合成的细胞器），导致其在细胞内部的生物合成和代谢功能受到严重影响。尽管这些细胞表现出失去了正常细胞功能的特征，但它们仍然保持着一定程度的生命活动，例如细胞膜的完整性和细胞的存在。值得注意的是，僵尸细胞的出现可能并非绝对的，它们通常是病毒感染后细胞状态的一种转变。对于SAR11细菌等微生物来说，僵尸细胞的出现可能会对其在海洋生态系统中的角色和功能产生影响，进而影响到海洋生物体的生态和生物地球化学循环。
噬菌体（Phages），也称为细菌病毒，是一类专门感染细菌的病毒。它们是一种寄生性病毒，其生命周期与细菌密切相关。噬菌体通过将其遗传物质注入细菌细胞内，并利用细菌细胞的生物机制复制自身，最终导致细菌细胞的破裂释放出新的噬菌体。
噬菌体的结构通常包括两个主要部分：DNA或RNA的遗传物质和蛋白质组成的外壳。这种外壳可以与特定的细菌细胞表面结构相互作用，从而将噬菌体引导到其寄主细菌上。噬菌体在自然界中广泛存在，数量巨大，是细菌群落的重要调控者之一。它们通过感染和杀死细菌来维持细菌群落的稳定性和多样性。同时，噬菌体也是研究细菌生态学、基因转移和生物技术等领域的重要工具之一。
在海洋生态系统中，噬菌体扮演着重要角色，它们参与调控海洋中细菌数量和种群结构，对海洋生态系统的功能和稳定性具有重要影响。因此，对噬菌体的研究不仅有助于深入理解微生物在海洋中的生态功能，还为开发相关的生物技术和生物治疗手段提供了新的思路和可能性。
思考题 | 举一反三
Q1. 噬菌体对海洋细菌群落的控制有多重要？它们如何影响海洋生态系统的稳定性和功能？ Q2. 为什么在藻类春季盛开期间，SAR11细菌的细胞数量会突然减少？病毒诱导的死亡是导致这种现象的主要因素吗？ Q3. 为什么僵尸细胞在海洋生态系统中如此普遍？它们对生态系统的功能和稳定性有何影响？噬菌体感染的细胞数量与海洋生物的生态平衡有何关系？如何更好地理解和利用这些微生物相互作用来保护海洋环境？ Q4. 虽然作者提出了噬菌体感染可能会导致核糖体RNA的消化再利用来合成新的噬菌体基因组的假设，但这个假设是否可靠？它如何解释“僵尸细胞”现象？这一假设是否需要更多的实验验证和数据支持？ |
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新闻源 | Nature Communications，Sciencedaily
编译 | 王芊佳
编辑 | Sara
排版 | Sara
【参考资料】
https://www.nature.com/articles/s41467-024-48172-w
https://www.mpi-bremen.de/en/Zombie-cells-in-the-sea-Viruses-keep-the-most-common-marine-bacteria-in-check.html
https://www.sciencedaily.com/releases/2024/05/240517111533.ht
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