环境病毒的宿主鉴定技术进展

病毒是地球上丰度最高的微小生命粒子,通过调控宿主的群落结构、介导宿主死亡和参与水平基因转移等方式影响着生物地球化学循环和地球生命演化。近年来,宏基因组学的发展实现了在全球尺度上对环境病毒的大规模探索和研究,大量新的病毒基因组被发掘,病毒在全球生态过程和生物地球化学循环中的角色和贡献也得到进一步认知。病毒在环境中的重要作用是通过感染宿主实现的。然而,环境病毒的宿主鉴定工作远落后于环境病毒基因组测序研究。本文综述了目前病毒宿主鉴定的主要技术及其优缺点和应用场景,总结了病毒的宿主鉴定在病毒生态学研究和生物工程领域的重要价值,并初步展望了未来病毒宿主鉴定技术的发展方向。     

海洋专题刊编者按

生命起源于海洋,海洋也因此被誉为地球生命的摇篮。据粗略估计,生活在海洋中的生物约200万种,占地球生物种类总数的1／4,但人类对于海洋中的生物是如何随海洋环境的改变而变化的、海洋中的各种生命活动又是如何影响海洋环境的还知之甚少,与之相关的研究既包括微观尺度的细胞光合作用,也包括宏观尺度上气候变化对全球海洋生态系统的影响。     

海洋酸化和全球变暖对贝类生理生态的影响研究进展

研究表明海洋酸化和全球变暖已严重威胁到海洋生态系统稳的定性及生物多样性。由于人类活动,大气中不断增加的CO2不仅造成全球气候异常,而且大量的CO2被海洋吸收,造成了海水中H+浓度增加,即海洋酸化(Ocean Acidification)。海洋酸化严重影响海洋生物的生存和繁衍,尤其是有壳类生物,如贝类,甲壳类,棘皮类等。主要影响方面包括生物的产卵受精,孵化,早期发育,钙化,酸碱调节,免疫功能,蛋白质合成,基因表达,摄食及能量代谢等一系列和生理相关的机能,进而对个体行为学,种群结构和海洋生态系统造成严重危害。目前,已有大量海洋酸化对海洋贝类的生理生态影响的报道,与此同时,全球变暖导致海洋温度升高伴随着海洋酸化同步发生。因此,为了更加准确地预测海洋生物应对全球气候变化的生理生态应答,越来越多的学者开始致力于研究温度和海洋酸化的复合胁迫对海洋生物交互影响作用。综述了近年来海洋酸化对贝类生理生态的影响,主要从个体早期发育、钙化、免疫、繁殖等方面做了系统的阐述,还对酸化和温度对贝类的复合环境胁迫效应也做了综合分析,以期为今后的海洋酸化研究提供基础理论。     

深海氨氧化古菌的环境适应基础及生态功能

氨氧化古菌是地球上丰度最高的微生物类群之一,驱动氮循环。尤其在深海,其相对丰度可达原核生物的20%-40%。然而,纯培养的缺乏严重阻碍了我们全面认知深海氨氧化古菌的生理特性和生态贡献。本文系统性地分析了深海环境特征与微生物适应性之间的关系,聚焦深海氨氧化古菌的潜在生存策略和代谢偏好。这些信息将有助于我们设计适用于深海氨氧化古菌的培养技术。此外,从系统发育和生理特性来看,深海氨氧化古菌与土壤或表层海洋来源的氨氧化古菌有显著区别,提示我们需要根据其特性重新估算全球海洋氮通量。     

海洋浮游生物的生态化学计量学研究进展

生态化学计量学可以简单定义为从分子到生物圈的元素生物学,其跨越了环境和生命的各个层次,是构建从分子到生态系统统一化理论的新思路,是生态科学发展的必然趋势.海洋生物占地球生物圈总生物量的50%,是全球生物地球化学循环的重要组成部分,而浮游生物作为海洋生态系统物质循环和能量流动的重要环节,在海洋生态系统元素循环过程中起着关键作用.但是目前关于海洋浮游生物生态化学计量学的研究较零散和缺乏.因此,本文从限制元素影响海洋浮游生物的生态现象和机理、生化物质对营养限制的响应、营养限制的食物链传递与反馈4方面,对海洋浮游生物化学计量学研究进行综述,分析了该领域当前存在的问题,并对我国海洋浮游生物生态化学计量学研究的发展重点提出了展望.
     

寒武纪生命大爆发新解与地球海洋动物生态系统建立*

寒武纪大爆发是地球历史上唯一的动物门类创生事件, 导致所有现生动物门类几乎同时在寒武纪早期海洋中首现——地球动物树成型。显生宙之后的其他重大地质事件甚至动植物登陆过程中地球再无新的动物门类出现。因此, 寒武纪大爆发既是重大生命事件也是地质事件, 成为地球宜居性演化研究的关键。国内外许多研究团队和学者从不同的视角对寒武纪大爆发做了深入探索和思考, 取得了系列成果和认识。基于生命物质的组织层次(organismal hierarchical level)及其地质背景, 本文提出了地球早期生命宏演化包括分子水平进化、细胞水平进化和组织水平进化三大宏演化阶段。据此, 认为寒武纪大爆发的实质是原生生物细胞群“组织化”的必然结果, 并提出寒武纪动物大爆发组织“拼图”新假说(Lego Blocks Hypothesis)。寒武纪动物大爆发的突发性和爆发性是在现代板块构造体制建立和异养型消费者生态位空缺的背景下, 在全球圈层联动、全球海洋微生物和化学循环的促使下, 部分真核细胞发生“分化和特化”形成原始组织后, 快速“拼图组装”的必然结果。期间, 地球海洋生态空间(生态位)多样性剧增、动物消费者生态位空缺及其导致的古地理和生殖隔离, 成为寒武纪早期动物门类爆发的生态动力和生物发育内在需求。罗迪尼亚超大陆裂解和冈瓦纳大陆形成过程中, 全板块深俯冲为标志的现代板块构造体制的建立, 导致全球圈层联动和全球海洋微生物化学循环, 进一步加速了动物门类的生态扩张。显生宙盘古大陆演化和原、古、新特提斯洋发育过程中全球海洋生态空间多样性阈值的稳定甚至减少, 可能成为寒武纪大爆发后地球海洋再无新的动物门类出现的环境条件和地质背景制约。     

模拟水流扰动对香溪河库湾浮游病毒-宿主动态的影响

【背景】浮游病毒是淡水生态系统的重要组成部分,在调节浮游细菌和藻类群落结构及调控系统物质循环过程中起着重要的作用。水库具有不同于湖泊的水动力过程,产生的扰动可能影响浮游病毒的调控功能。【目的】研究水力扰动对浮游病毒-宿主动态的影响,为阐释水库生境下浮游病毒生态功能提供理论依据。【方法】以香溪河库湾原水为材料,模拟不同流速扰动对病毒-宿主动态的影响;通过病毒丰度、宿主丰度、宿主裂解率、宿主溶源诱导率等参数的变化反映这种动态变化过程,并分析其与环境因子间的关系。【结果】0.05 m/s和0.10 m/s的流速扰动强度对浮游植物和浮游细菌生长有显著促进作用,但扰动对浮游病毒丰度的影响不显著;扰动能促进病毒介导的浮游植物和细菌裂解率上升,而且0.05 m/s扰动强度的促进作用大于0.10 m/s;同时,扰动显著降低了浮游植物溶源诱导率,但引起浮游细菌溶源诱导率的显著上升(P<0.05)。【结论】模拟扰动对浮游病毒-宿主动态过程产生了显著的影响,表明水库浮游病毒维持种群延续的生态策略可能与湖泊浮游病毒存在差异。     

病毒辅助代谢基因的研究进展

病毒通过影响微生物的营养循环、生物多样性和遗传信息传递等,在全球海洋的生物地球化学循环中发挥关键作用。病毒还可以控制微生物的群落组成、关键代谢过程等,这些依赖于病毒基因组上的辅助代谢基因(auxiliary metabolic genes,AMGs)。AMGs在病毒感染宿主的过程中表达并参与调控宿主的代谢过程。病毒基因组中的AMGs包括中央碳代谢、氮代谢、磷和硫循环、核苷酸代谢以及与氧化应激反应相关的基因。AMGs有利于子代病毒更高效地组装和释放,对于病毒种群的繁衍具有重要意义,同时对病毒-宿主相互作用机制的研究产生重要影响。本文针对病毒辅助代谢基因的起源、类别及其重要的生态作用进行简要综述,以期为进一步阐明病毒在不同生态系统中的功能提供依据。     

病毒介导的海洋球石藻(Coccolithophores)鞘脂类代谢调控

海洋球石藻(Coccolithophores)是一种全球广泛分布且具有重要生态功能的真核浮游植物,有些种类是大洋和近岸常见的赤潮种。自然海域中,病毒感染是导致球石藻死亡和赤潮消亡的一个关键因素。基于一株海洋球石藻Emiliania huxleyi及其特异性裂解病毒全基因组测序注释的结果,研究者们发现病毒可能通过基因横向转移从宿主基因组中获取了一系列与鞘脂类代谢相关的关键酶基因,进而在一定程度上掌控了宿主鞘脂类代谢,大量合成、积累病毒性鞘脂类物质,并最终诱导宿主细胞以凋亡的形式死亡。因此,病毒介导的宿主鞘脂类代谢在调节病毒与宿主间相互作用中具有重要意义。本文着重综述海洋球石藻病毒与宿主间的基因横向转移、病毒介导的宿主鞘脂类代谢特点及其生态学意义,以期深入了解海洋球石藻病毒与宿主间复杂的相互作用关系。     

全球气候变化下的海洋浮游植物多样性

理解全球气候变化对地球生态系统的影响是全世界广泛关注的问题, 而相比于陆地生态系统, 海洋生态系统对全球气候变化更为敏感。全球气候变化对海洋的影响主要表现在海洋暖化、海洋酸化、大洋环流系统的改变、海平面上升、紫外线辐射增强等方面。浮游植物是海洋生态系统最重要的初级生产者, 同时对海洋碳循环起到举足轻重的作用, 其对全球气候变化的响应主要体现在物种分布、初级生产力、群落演替、生物气候学等方面。具体表现在以下方面: 暖水种的分布范围在扩大, 冷水种分布范围在缩小; 浮游植物全球初级生产力降低; 浮游植物群落会向细胞体积更小的物种占优势的方向转变; 浮游植物水华发生的时间提前、强度增强; 一些有害物种水华的发生频率也会增加; 海洋表层海水的酸化会影响浮游植物特别是钙化类群的生长和群落多样性; 紫外辐射增强对浮游植物的生长起到抑制作用; 厄尔尼诺、拉尼娜、降水量的增加通常抑制浮游植物生长。浮游植物生长和分布的变化会体现在多样性的各个层面上。对于浮游植物在全球变化各种驱动因子下的生理生态学和长周期变动观测等是今后研究的重要方向, 也将为理解全球变化下的浮游植物-多样性-生态系统响应与反馈机制提供基本信息。     

Investigation of the mechanism of temperature sensitivity of the electroreceptors of ampullae of lorenzini

In experiments on Black Sea skates (Raja clavata), the potential of the receptor epithelium of the ampullae of Lorenzini and spike activity of single nerve fibers connected to them were investigated during electrical and temperature stimulation. Usually the potential within the canal was between 0 and –2 mV, and the input resistance of the ampulla 250–400 k. Heating of the region of the receptor epithelium was accompanied by a negative wave of potential, an increase in input resistance, and inhibition of spike activity. With worsening of the animal's condition the transepithelial potential became positive (up to +10 mV) but the input resistance of the ampulla during stimulation with a positive current was nonlinear in some cases: a regenerative spike of positive polarity appeared in the channel. During heating, the spike response was sometimes reversed in sign. It is suggested that fluctuations of the transepithelial potential and spike responses to temperature stimulation reflect changes in the potential difference on the basal membrane of the receptor cells, which is described by a relationship of the Nernst's or Goldman's equation type.I. P. Pavlov Institute of Physiology, Academy of Sciences of the USSR, Leningrad. I. M. Sechenov, Institute of Evolutionary Physiology and Biochemistry, Academy of Sciences of the USSR, Leningrad. Pacific Institute of Oceanology, Far Eastern Scientific Center, Academy of Sciences of the USSR, Vladivostok. Translated from Neirofiziologiya, Vol. 12, No. 1, pp. 67–74, January–February, 1980.     

Principles of organization and evolution of systems of regulation of functions

Evolution of living organisms is closely connected with evolution of structure of the system of regulations and its mechanisms. The functional ground of regulations is chemical signalization. As early as in unicellular organisms there is a set of signal mechanisms providing their life activity and orientation in space and time. Subsequent evolution of ways of chemical signalization followed the way of development of delivery pathways of chemical signal and development of mechanisms of its regulation. The mechanism of chemical regulation of the signal interaction is discussed by the example of the specialized system of transduction of signal from neuron to neuron, of effect of hormone on the epithelial cell and modulation of this effect. These mechanisms are considered as the most important ways of the fine and precise adaptation of chemical signalization underlying functioning of physiological systems and organs of the living organism