TUhjnbcbe - 2023/10/24 8:35:00
沿永久冻土融化梯度宿主相关的土壤病毒生态Host-linkedsoilviralecologyalongapermafrostthawgradient作者：JoanneB.Emerson,MatthewB.Sullivan,etal.期刊：NatureMicrobiology时间：.8IF：14.DOI:10./s---y一、摘要病毒显著影响海洋中的微生物动力学、代谢和生物地球化学，但它们在土壤中的作用很大程度上仍未得到研究。本研究旨在探索永久冻土融化梯度下泥炭土壤中的病毒对微生物生态和碳代谢功能的影响。主要发现如下：1、从土壤样本中鉴定出1,个病毒类群，其中58%具有转录活性，推测可能是活跃的病毒类群。2、35%的病毒和宿主类群有关，突出了关键碳循环微生物的潜在病毒捕食者（包括甲烷菌和甲烷氧化菌）。3、谱系特异性病毒/宿主丰度比例不同，表明病毒侵染动态变化可能影响微生物对气候变化的反应。4、病毒会编码糖苷水解酶，表明可能影响复杂的碳降解，病毒丰度是预测甲烷动态变化的重要因子。这些发现表明，病毒可能影响气候关键的陆地生境中的生态系统功能，并确定多种潜在的病毒对土壤碳循环的贡献。二、研究背景冻土融化可能释放大量微生物产生的甲烷和二氧化碳,但由此产生的对气候变化的正反馈作用尚不明确。微生物生态学研究有助于提高对上述内容的预测。尽管土壤病毒生态学还有很多未知，但病毒大概每天溶解约三分之一的海洋微生物，在感染期间中可以对宿主基因进行重新编码，是水平基因转移（horizontalgenetransfer）的媒介。病毒的这些作用极大地影响着生态系统过程，与原核和真核微生物丰度相比，病毒的种群丰度能更好地预测从表层海水到深海的全球碳通量。虽然之前已报道了土壤病毒宏基因组的一些研究，但用基因组方法研究土壤病毒生态学最近才出现。最近的研究是从泥炭土中提取纯病毒进行宏基因组分析，也有研究利用计算机从复杂的微生物（宏）基因库中挖掘病毒序列。在本文中，我们从泥炭地的块状（bulk）和粒级（size–fractionated）土壤的宏基因组中复原了病毒的基因组，并评估了它们在多年冻土融化梯度上的潜在生态和生物地球化学影响。三、研究亮点1、大样本采样：宏基因组：个样本；宏转录组：21个样本。2、病毒基因组重组和群落结构分析：组装病毒contigs，进行聚类，并分析其群落结构组成。3、病毒和宿主微生物关联分析：重组病毒宿主（细菌和古菌）基因组，并进行特定谱系的病毒/宿主丰度比分析。四、主要结果1、病毒基因组与群落结构从Stordalen土壤宏基因组中鉴定出1个病毒类群。这些片段长度≥10kb。其中有58%的病毒种群（个）同样在宏转录中被检测到，表明该系统中许多病毒种群都是活跃的。通过构建共有预测蛋白网络图对Stordalen土壤病毒种群和公开数据序列的相似性进行分析。结果发现，从微生物中分离的病毒种群通常比从宏基因组复原的病毒种群更易成簇（Fig.1b），说明纯培养的方法不能充分反应土壤病毒的多样性。进一步分析发现，Stordalen病毒种群分布较广且其特有病毒数较多，只有一小部分被粗略分类（Fig.1c）。这些土壤病毒群落在基因组和分类学上的多样性，表明土壤病毒群落可能存在广泛的生物地理学模式。对个土壤宏基因组样品以及21个土壤宏转录组样品进行短序列匹配（readmapping），发现在1个病毒种群中，不同冻融梯度下无论是病毒还是“活跃”病毒群落都存在显著差异（Fig.1d），表明病毒群落可能随着冻土的持续解冻发生变化。Manteltests则显示土壤病毒群落组成与宿主微生物群落组成、pH和土壤水分含量显著相关。Fig.1StordalenMire土壤病毒概述a块状土壤病毒种群累积曲线。b共有预测蛋白网络图。c病毒种群的相对丰度。d病毒群落组成的PCoA分析。2、病毒和宿主微生物关联分析为研究土壤病毒是否会通过侵染微生物来影响生物地球化学循环，进而影响到生态系统功能。作者筛选了一个包含1,个Stordalen细菌和古菌种群基因组的数据库。预测了35％的病毒群体的宿主，说明从同一样品中重构宿主和病毒基因组的优势明显。进一步对宿主微生物分类进行分析发现侵染产甲烷菌（methanogens）的病毒数为15个、侵染甲烷氧化菌（methanotroph）的病毒数为13个，且有大量病毒侵染了与呼吸和发酵代谢相关的异养微生物。由此得出，病毒可能通过侵染碳循环关键的微生物，间接地影响Stordalen碳循环。为研究病毒对宿主生态的潜在影响，作者评估了三种生境中特定宿主的病毒感染动态是如何变化的。对宿主进行门/纲分类和特定谱系的病毒/宿主丰度比分析，发现病毒丰度一般接近或低于宿主丰度（Fig.2b）。大部分谱系特异性病毒/宿主丰度因生境不同而差异显著，病毒和宿主丰度可能和不同的地球化学因子相关。酸杆菌门和硝化螺旋菌门的病毒/宿主丰度比值和pH、可溶性有机碳（DOC）含量显著相关。结果显示多年冻土融化可能影响病毒-宿主感染动力学，因不同生境的解冻梯度不同，形成对不同生物和非生物参数的谱系特异性响应。Fig.2StordalenMire病毒-宿主及其丰度模型为研究病毒影响土壤碳循环的可能性，作者评估了Stordalen病毒是否含有辅助代谢基因（auxiliarymetabolicgenes）。在个可预测病毒蛋白中，除去96％的可预测病毒的功能，剩下的4%包含14个糖苷水解酶（glycosidehydrolases）基因。为了检验这些病毒糖苷水解酶基因是否可以编码功能活性蛋白，一个病毒糖苷水解酶基因进行表达和功能鉴定。这些发现表明，病毒会编码糖苷水解酶，可能影响碳降解过程，病毒丰度可能是预测甲烷动态变化的重要因子（Fig.3）。Fig.3病毒对碳循环的潜在贡献3、PLS预测分析将病毒丰度、宿主微生物丰度和非生物因子作为解释变量对气候-碳化学（响应变量）进行预测分析。发现病毒丰度对碳化学的预测更加显著。五、思路启发文章并没有提前富集病毒，而是采用常规DNA提取和生信分析方法，在样品宏基因组中挖掘病毒序列信息，再进行后续的研究。所以，如果能掌握病毒富集技术，能让该类研究如虎添翼，获得更加全面的病毒信息！美格宏病毒组业务已经华丽丽上场，最实在的亮点就是能将富集病毒含量从不到1%提高至10~40%！您可能还喜欢：Nature｜全球表层土壤微生物的结构和功能美格基因携手朱永官院士团队强势推出高通量qPCR芯片检测服务！