二：噬菌體的分類

在土壤中，噬菌體主要以3種狀態(tài)存在：少部分以游離狀態(tài)存在，大部分（超過90%）被土壤顆粒吸附而固定，其他部分則以溶原狀態(tài)存在于寄主細(xì)胞中。因此，對(duì)土壤噬菌體數(shù)量的精確測(cè)定一直以來都是一個(gè)挑戰(zhàn)(Kimura et al. 2008)。    

利用核酸染色-熒光計(jì)數(shù)法可以相對(duì)快速地估計(jì)環(huán)境中的病毒數(shù)量，但是一方面難以將噬菌體與其他病毒區(qū)分開，另一方面由于溶原性噬菌體的存在，真實(shí)的土壤病毒數(shù)量往往要高于觀測(cè)到的數(shù)值(王光華 2017)。利用這種方法，科學(xué)家們估計(jì)土壤中病毒豐度可高達(dá)10⁹ VLP/克干土(Reavy et al. 2014)。不同土地利用方式對(duì)土壤病毒豐度影響很大，森林土壤中病毒數(shù)量在1.31×10⁹-4.17×10⁹ VLP/克干土之間，明顯高于農(nóng)業(yè)土壤中的病毒數(shù)量（0.87×10⁹-1.1×10⁹ VLP/克干土(Williamson et al. 2005)；不同施肥處理下土壤中病毒的豐度也有差異，紅壤耕作層病毒數(shù)量在1.34×10⁷-13.1×10⁷ VLP/克干土之間，以施用氮磷鉀化肥（NPK）配施有機(jī)肥（M）處理最高，單施氮肥（N）處理最低(Chen et al. 2014)。通過不同的角度，可以用不同的方法對(duì)這些噬菌體進(jìn)行分類。

一、通過病毒學(xué)劃分

根據(jù)2011年發(fā)布的《病毒分類—國(guó)際病毒分類委員會(huì)第９次報(bào)告》(Murphy et al. 2012)，病毒可以分為6個(gè)目，87個(gè)科，19個(gè)亞科，349個(gè)屬，2284個(gè)種。第9次報(bào)告將噬菌體分為５個(gè)階元(馮燁et al. 2013)：

第一階元是按照噬菌體的核酸類型（DNA或RNA）及其單雙股形式劃分“群”。

第二階元是按照科間的密切親緣關(guān)系設(shè)立“目”。

第三階元是按照屬間的密切親緣關(guān)系設(shè)立“科”和“亞科”。

第四階元是科下設(shè)“屬”。

第五階元是屬下分“種”。

二、按照攜帶的核酸劃分

噬菌體可以攜帶雙鏈DNA（dsDNA，線狀或環(huán)狀）、單鏈DNA（ssDNA，環(huán)狀）、雙鏈RNA（dsRNA，線狀）或者單鏈RNA（ssRNA，線狀）?？偟膩碚f，以攜帶線狀dsDNA的噬菌體居多。

三、按照噬菌體形態(tài)劃分

從形態(tài)上，也就是蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)上，可以分成：有尾（蝌蚪形）噬菌體、無尾（球形）噬菌體、線狀（絲狀、桿狀）噬菌體。

有尾噬菌體：

這種噬菌體除了一個(gè)二十面體的頭部外，還有由一個(gè)中空的針狀結(jié)構(gòu)及外鞘組成的尾部，以及尾絲和尾針組成的基部。常見的有尾噬菌體有：T2、T4、T7、P2、P22、λ、φ29。

（T-2噬菌體示意圖）

球狀噬菌體：

這種噬菌體為一個(gè)二十面體，外表由規(guī)則排列的蛋白亞單位衣殼組成，核酸則被包裹在內(nèi)部。常見的球狀噬菌體有：PM2、φX174、MS2、φ6。

（φX174衣殼結(jié)構(gòu)）

線狀噬菌體：這種噬菌體呈線狀，沒有明顯的頭部結(jié)構(gòu)，而是由殼粒組成的盤旋狀結(jié)構(gòu)。常見的線狀噬菌體有：M13、f1、fd。

（M13噬菌體示意圖）

四、按照生活史劃分

據(jù)噬菌體與宿主的關(guān)系又可分為烈解性噬菌體（virulent phage）和溫和性噬菌體（temperate phage）。前者侵染宿主的性質(zhì)，導(dǎo)致細(xì)菌菌體裂解死亡并釋放大量子代噬菌體；后者侵染細(xì)菌后，將自身的基因組整合進(jìn)宿主細(xì)胞的基因組，與宿主一同復(fù)制。此時(shí)，這種宿主細(xì)菌稱為溶原性細(xì)菌。溶原性細(xì)菌內(nèi)存在的整套噬菌體DNA基因組稱為原噬菌體(prophage)。

這些噬菌體具有4種不同的生活史：裂解循環(huán)、溶源循環(huán)、慢性循環(huán)和偽溶源循環(huán)(Mirzaei & Maurice 2017)。

1）裂解循環(huán)(Lytic cycle)：

裂解性噬菌體吸附于細(xì)菌表面，與細(xì)胞表面特異性受體蛋白結(jié)合或者用溶菌酶“炸”開一個(gè)缺口，注入攜帶的基因組。黑客一般的噬菌體基因組利用細(xì)菌的代謝系統(tǒng)進(jìn)行自我復(fù)制以及噬菌體的組裝。噬菌體成熟后，溶解細(xì)菌細(xì)胞壁的溶菌酶逐漸增加，促使細(xì)胞裂解，從而釋放出子代噬菌體。

因此，我們可以利用病原菌的裂解性噬菌體來防控土傳病害。

2）溶源循環(huán)(Lysogenic cycle)：

溫和性噬菌體同樣能侵染細(xì)菌并釋放基因組，不過這些基因組整合在細(xì)菌基因組中，并不立即組裝為子代噬菌體裂解宿主而是成為原噬菌體與宿主一同復(fù)制。當(dāng)然，在一定條件下，原噬菌體也會(huì)被誘導(dǎo)而發(fā)生切離(excision)，使之進(jìn)入裂解循環(huán)。此前的文章中，我們就介紹了一種由“仲裁因子”決定的裂解-溶源選擇《清明節(jié)到了，猜猜噬菌體是怎么掃墓的？》

3）慢性循環(huán)(Chronic cycle)：

慢性循環(huán)多見于線狀噬菌體。噬菌體基因組進(jìn)入細(xì)菌后在細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)復(fù)制增殖，組裝為子代噬菌體。但是，線狀噬菌體離開細(xì)胞并不需要裂解細(xì)菌宿主。

4）偽溶源循環(huán)(Pseudolysogeny cycle)：

噬菌體基因組進(jìn)入宿主細(xì)菌細(xì)胞后既不整合入宿主基因組，也不復(fù)制，更不組裝成噬菌體。d’Herelle 在1930年觀察到了這種噬菌體和細(xì)菌和平共處的現(xiàn)象，稱之為“bacterium–bacteriophage symbiosis”(d’Herelle 1930)；Delbrück在1946年將這種現(xiàn)象命名為“pseudolysogenesis”(Delbrock 1946)；Lwoff 在1953年將攜帶這一類噬菌體的細(xì)菌稱為“the carrier strains”(Delbrock 1946; Lwoff 1953)。這種現(xiàn)象可以看作是細(xì)菌-病毒的兼性共生，然而，數(shù)十年過去了，這種特殊的噬菌體究竟在生態(tài)系統(tǒng)中扮演著怎樣的角色，我們?nèi)匀恢跎佟?/span>

下期預(yù)告：噬菌體群落的多樣性

參考文獻(xiàn)：

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d’Herelle, F. (1930). Elimination dubacteriophage dans les symbioses bacterie-bacteriophage. Compt. Rend. Soc. Biol, 104, 1254.

Delbrock, M. (1946). Bacterial viruses orbacteriophages. Biological Reviews,21, 30-40.

Kimura, M., Jia, Z., Nakayama, N. &Asakawa, S. (2008). Ecology of viruses in soils: Past, present and futureperspectives. Soil Science and PlantNutrition, 54, 1-32.

Lwoff, A. (1953). Lysogeny. Bacteriological Reviews, 17, 269.

Mirzaei, M.K. & Maurice, C.F. (2017).Menage a trois in the human gut: interactions between host, bacteria andphages. Nature reviews. Microbiology,15, 397-408.

Murphy, F.A., Fauquet, C.M., Bishop, D.H.,Ghabrial, S.A., Jarvis, A., Martelli, G.P.et al. (2012). Virus taxonomy:classification and nomenclature of viruses. Springer Science & BusinessMedia.

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王光華 (2017). 掀開土壤生物“暗物質(zhì)”——土壤病毒的神秘面紗. 中國(guó)科學(xué)院院刊, 575-584.

-The End-

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