Nature子刊最新研究：Hi-C宏基因组揭示土壤-噬菌体-宿主相互作用
土壤中有大量的噬菌体。然而，大多数宿主未知，无法获得其基因组特征。2023年11月23日，最新发表于《Nature communications》期刊题为“Hi-C metagenome sequencing reveals soil phage–host interactions”的文章，通过高通量染色体构象捕获（Hi-C）技术来直接捕获土壤中噬菌体与宿主的关系，为噬菌体介导的土壤细菌种群动力学提供了经验证据。
发布期刊：Nature communications
影响因子：16.6
发表时间：2023
DOI：10.1038/s41467-023-42967-z
研究方法
本研究于2020年6月在华盛顿州普罗瑟市灌溉试验田的16个随机位置采集表层土壤（0-20cm），在实验室将土壤预培养一周，逐渐暴露在不断升高的温度下，直到目标培养温度达到30°C的夏季平均温度，获得3个代表预干燥土壤的样品和3个代表干燥后的土壤，分别开展宏基因组、宏转录组和Hi-C测序。具体实验设计如图1所示。
图1 研究设计
主要结果
1、使用Hi-C宏基因组测序鉴定土壤微生物组中的感染
研究共获得479个vOTUs，都鉴定为噬菌体，近一半的vOTU无法分类，其余被分配到Caudoviticetes类。使用由三个主要分支组成的病毒树来可视化每个样本中vOTU的全基因组相似性（图2）。通过Hi-C宏基因组分析，有19个的噬菌鉴定到独特的细菌MAG宿主。宿主相关噬菌体占样品中检测到的总噬菌体序列丰度的5.3%-15.0%。此外，从MAG中的CRISPR阵列中总共有124个CRISPR间隔序列与噬菌体匹配，产生121个独特的噬菌体-宿主连接。
图2 利用Hi-C宏基因组学揭示土壤-噬菌体-宿主相互作用。
2、Hi-C宏基因组和宏转录组显示土壤干燥后溶原性增加
通过模拟干旱草原土壤中经常发生的夏季干燥，比较了两周干燥培养前后的结果。结果表明，土壤噬菌体群落随着土壤干燥而发生变化。在干燥前和干燥后的土壤中，仅检测到18.0%的总vOTU（图2）。Hi–C宏基因组中与宿主相关的噬菌体群落受到土壤干燥的显著影响。与干燥前土壤相比，干燥后土壤中检测到的vOTU中与宿主相关的比例明显更大（p < 0.05，图3a）。然而，与宿主相关的vOTU的相对丰度在干燥前和干燥后的土壤之间没有显著差异（p = 0.18，图3b）。
宏转录组数据显示，在土壤干燥后，与宿主相关的转录活性vOTU占比更高（图3c），但是比对到宿主相关vOTU的转录物的百分比降低（图3d），表明宿主相关的vOTU的平均转录活性在土壤干燥之后下降。
图3 宿主相关vOTU的丰富度、丰度和转录活性。a干燥前和干燥后土壤培养中宿主相关vOTU与总vOTU丰富度的相对丰富度。b宿主相关vOTU相对于总vOTU丰度的相对丰度。c与宿主相关的转录活性vOTU的百分比。d比对到宿主相关vOTU的转录物的百分比。
3、Hi-C重建土壤噬菌体宿主感染网络
通过Hi-C测序鉴定为噬菌体宿主的MAG包括 酸杆菌门（Acidobacteria）、放线菌门（Actinobacteria）、衣原体门（Chlamydiae）、|芽单胞菌门（Gemmatimonadota）和变形菌门（Proteobacteria）。通过Hi-C测序连接到一个或多个噬菌体的单个MAG代表一个宿主群体。干燥前土壤中五个宿主相关的vOTU中有两个与单个宿主MAG相连（图2）。其他三个vOTU与多个宿主（V1、V2和V3）相连（图2）。与仅检测到一个宿主的vOTU相比，与多个宿主相连的vOTu具有更高的丰富度和丰度（图3e-h）。一些宿主在细菌群落共生网络中具有高度集中性，这表明噬菌体感染对土壤-细菌群落的相互作用有重要影响。
通过群落共发生网络用于识别到具有高度中心性的微生物成员，也就是说，它们与许多其他物种相连（高度）或占据网络中的关键连接点（高介数）。结果表明，噬菌体宿主的MAG是网络中一些最核心的节点（图4a），但是丰度并不是宿主共丰度网络中居中的主要驱动因素。
图4 噬菌体-宿主感染网络和群落共发生网络分析。a噬菌体-宿主感染网络，显示在至少两种重复土壤中检测到的噬菌体-宿主对。b通过使用三种网络推理方法的介数中心性，排名前五的宏基因组组装基因组（MAG）。
4、噬菌体感染调节宿主种群动态
研究观察到，在两周的土壤干燥培养后，每个宿主的平均病毒拷贝数（VPH）增加（图5a），病毒转录活性降低，这表明溶源性感染增加。土壤干燥也改变了观察到的噬菌体宿主范围。干燥前VPH和宿主丰度之间的显著负相关（图5b）表明，更多的裂解性感染导致更多的宿主死亡，并对宿主丰度产生负面影响。
图5 细菌宿主群体中噬菌体侵染率。a干燥前后在土壤中检测到的每个宿主的病毒（噬菌体）拷贝数（VPH）。b、 c干燥前后土壤中VPH与寄主丰度之间的相关性。
总结
该研究是Hi-C测序在土壤环境中的主要应用，以捕捉正在进行的病毒感染并确定特定的病毒-宿主相互作用。这项研究还提供了病毒多方面（viral generalists）存在的直接实验证据，此前这些主要是通过生物信息学预测的。通过将Hi-C与其他DNA和RNA测序方法相结合，本研究深入了解了干燥对土壤噬菌体-宿主相互作用的影响以及对细菌群落相互作用的下游影响。这将使未来的研究能够进一步探索Hi-C方法在其他土壤系统和自然环境中检测病毒感染的应用。此外，Hi-C方法也适用于检测潜在生物威胁的环境病毒。这项研究表明，Hi-C测序适用于土壤，其结果对预测气候变化对土壤病毒的影响以及随之而来的生态后果具有价值。
参考文献
Wu, R., Davison, M.R., Nelson, W.C. et al. Hi-C metagenome sequencing reveals soil phage–host interactions. Nat Commun 14, 7666 (2023). https://doi.org/10.1038/s41467-023-42967-z