多细胞丝状蓝细菌（如鱼腥藻等）能够分化出异形胞，在其中通过固氮酶将氮气还原为铵，从而在产氧光合作用存在的情况下实现生物固氮，是重要的光合初级生产者，在淡水生境中具有重要的生态学意义。噬藻体是特异性侵染蓝细菌的病毒，在调控宿主丰度、群落演替和营养循环中具有重要作用。然而，当前研究多集中于单细胞宿主的噬藻体，仅有少数感染固氮蓝细菌的噬藻体完成了全基因组测序，且这些噬藻体与丝状体中单个细胞之间如何相互作用，目前尚不明确。

近日，青岛能源所与德国弗莱堡大学合作，从黑龙江淡水生境分离获得三株特异性侵染固氮丝状蓝细菌鱼腥藻PCC 7120的有尾噬藻体A-Lf14、A-Alj1和A-Hlh1，并通过比较基因组学、高分辨显微成像和生理实验，揭示了其基因组可逆异构、辅助代谢基因差异及非同步感染过程。

噬藻体感染丝状宿主可能涉及跨细胞网络中复杂的时空协调，但能够解析病毒颗粒传播、细胞响应异质性及裂解进程的原位成像技术仍应用有限。本研究结合透射电镜、Airyscan超分辨共聚焦显微镜和冷冻扫描电镜，在确认新分离噬藻体具有二十面体衣壳和收缩尾的典型有尾噬菌体形态、且颈丝纤维明显长于参考噬藻体A-1(L)的同时，发现单个宿主丝状体内的相邻细胞可处于不同感染阶段，并在单细胞水平证实了异步感染进程（图1）。

图1 噬藻体的形态学特征及其侵染异质性

通过基因组学分析和实验验证，研究团队发现了噬藻体中鲜有报道的基因组异构现象：一个长度约为30 kb、两侧带有反向重复序列的保守基因组区域能够以两种方向异构体稳定共存于噬菌体群体中（图2）。进一步分析发现其他有尾噬藻体中也存在类似的反向重复序列侧翼结构，提示此类基因组可塑性可能为病毒提供不依赖序列突变的表现型可塑性，在适应宿主防御和环境变化中发挥作用。

图2 噬藻体基因组异构性及实验验证

辅助基因分析发现这三种新噬藻体与模式噬藻体A-1(L)不同，均携带一种非蓝细菌来源的碱性磷酸酶/磷酸二酯酶基因（phoD）。感染期间，噬菌体phoD转录本比宿主自身的phoD2高出约两个数量级，且在缺磷条件下较磷充足条件进一步显著上调，提示该功能模块在磷匮乏时被主动激活，可能参与噬菌体驱动的磷获取（图3）。

图3 PhoD介导的磷有效性调控噬藻体的感染能力

相反，A-1(L)携带tnpB转座酶编码基因，其序列与宿主的5个tnpB拷贝完全一致。A-1(L)感染后tnpB正义链和反义链均被强烈诱导，且该诱导主要归因于噬菌体基因表达。研究人员鉴定出tnpB反义链编码一个此前未注释的347个氨基酸蛋白TnpBrev，该蛋白在数据库中仅与远缘蓝细菌Nodularia spumigena CCY9414的一个假设蛋白具有有限相似性，并获蛋白质组数据支持其体内表达。该基因座的双链编码结构在N. spumigena CCY9414中保守，提示其可能参与基因组重排或早期感染过程（图4）。

图4 tnpB基因座的双链编码结构及其跨物种表达

相关成果于在线发表于Microbiome《微生物组》。吕雪峰研究员、朱涛副研究员和弗莱堡大学Wolfgang R. Hess教授为共同通讯作者，博士生时月和Marcus Ziemann为共同第一作者。本研究获得了国家重点研发计划、国家自然科学基金、青岛能源所国际合作项目、中国科学院战略性先导科技专项等项目的支持。（文/图 朱涛 时月）

原文链接：https://link.springer.com/article/10.1186/s40168-026-02551-1

Yue Shi^#, Marcus Ziemann^#, Yang Zhao, Viktoria Reimann, Tao Zhu^*, Wolfgang R. Hess^*, Xuefeng Lu^*. Comparative genomics and super-resolution microscopy of novel cyanophages reveals genomic isomerism, auxiliary genes, and a non-synchronous infection process. Microbiome (2026). https://doi.org/10.1186/s40168-026-02551-1