猪肠道微生物组中原噬菌体的多样性挖掘与功能特征解析

这篇综述系统研究了猪肠道微生物组中原噬菌体（prophage）的分布特征与功能机制。通过分析7,524个原核基因组，鉴定出10,742个原噬菌体，揭示其通过CRISPR间隔序列整合（CRISPR spacer integration）参与宿主防御系统调控，并携带辅助代谢基因（AMGs）、抗生素抗性基因（ARGs）和毒力因子（VFs）等关键功能模块。研究为理解哺乳动物肠道中噬菌体-宿主互作提供了新视角。

　　

1 引言

噬菌体作为自然界最丰富的生物实体，其溶原性生命周期中的原噬菌体状态（prophage）能整合至宿主基因组并赋予适应性优势。猪肠道作为复杂动态的微生物生态系统，其原噬菌体的分布规律与功能特性尚未明晰。本研究通过大规模基因组分析，首次系统揭示了猪肠道原噬菌体的宿主互作网络与生态功能。

2 材料与方法

从NCBI及实验室库获取7,524个猪肠道原核基因组（含88个古菌），经CheckM质量过滤后，采用VirSorter2预测原噬菌体，并通过BUSCO和VPFs验证其真实性。利用CRISPR spacer匹配分析宿主范围，DefenseFinder鉴定防御系统，DRAM-v/VIBRANT注释AMGs，CARD/VFDB数据库筛查ARGs和VFs。

3 结果

3.1 原噬菌体的分布特征

在67.89%的宿主基因组中鉴定到10,742个原噬菌体，其中1,282个为中等以上质量（MH）。条件致病菌如大肠杆菌（Escherichia coli）和肺炎克雷伯菌（Klebsiella pneumoniae）的原噬菌体携带率显著高于共生菌（p<0.05），暗示病原体更易通过噬菌体介导的基因水平转移获得适应性。

3.2 宿主范围与跨界感染潜力

CRISPR spacer分析显示29.71%原噬菌体具有广宿主性（感染2-6个属），51个甚至能跨门感染。原噬菌体编码的整合酶（integrase）和尾管蛋白（tail tube）的进化距离与宿主特异性显著相关（p<0.05），提示其决定宿主识别机制。

3.3 防御系统的协同进化

5.07%原噬菌体携带限制修饰（RM）或流产感染（Abi）系统，可增强宿主抗病毒能力。尤为特殊的是15个原噬菌体通过CRISPR spacer整合外源噬菌体序列，形成类似"噬菌体免疫记忆"的防御模式。

3.4 代谢与致病性调控

1.12%原噬菌体携带AMGs，包括维生素B₁₂合成关键基因cobT。结构预测显示其与宿主同源蛋白RMSD<1?，证实功能保守性。此外，120个原噬菌体携带ARGs（以多重耐药基因为主），378个编码VFs（如鞭毛蛋白），其中跨种传播的原噬菌体ARGs检出率达3.70%。

3.5 病毒暗物质挖掘

与公共数据库比对显示，88.85%的MH原噬菌体为新发现物种。12个crAss-like噬菌体主要分布于zeta亚簇，扩展了Crassvirales目多样性。系统发育分析表明，猪肠道Caudoviricetes类群贡献了39.74%的系统发育多样性（PD）。

4 讨论

研究揭示了原噬菌体通过"劫持宿主-武装宿主-改造宿主"的三重策略影响微生物群落：① 通过CRISPR spacer整合形成防御屏障；② 借助AMGs重构宿主代谢网络；③ 介导ARGs/VFs的跨种传播。广宿主性原噬菌体作为基因流动的"超级载体"，可能加速耐药性扩散。

5 结论

该研究建立了迄今最全面的猪肠道原噬菌体资源库，阐明其通过分子互作调控宿主生态位的机制，为开发噬菌体靶向调控技术提供了理论依据。未来需结合培养组学验证关键原噬菌体的活性与功能。