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项目文章｜冰川宏病毒功能多样性新进展

article 2024/11/19 14:45:46

近期，凌恩生物客户兰州大学泛第三极环境中心合作的研究论文“Diversity and function of mountain and polar supraglacial DNA viruses”发表在《Science Bulletin》（IF= 18.9）。该研究结果首次系统地描述了极地冰川上DNA病毒的多样性、功能和公共卫生风险评估。

01 研究背景

极地冰川覆盖了地球表面的10%，是典型的极端环境，存在着各种形式的生命。病毒在冰川上生态系统中丰富而活跃，在控制冰川上微生物群落中起着至关重要的作用。然而，目前对冰川表面的病毒生态学及其对下游生态系统的潜在影响的了解仍然有限。

02 技术方法

本研究利用微生物宏基因组学和病毒组学对青藏高原21个高海拔冰川（海拔2731-6675米；平均海拔5183米）的DNA病毒进行了调查，纳入了雪、冰、冰雪融水和冰尘样品，并获得了25个宏病毒组和96个微生物宏基因组数据集（包括最近在TG2G目录中报道的85个）。

图1 研究区域和样本采集

03 主要内容概述

本研究基于冰川上病毒和微生物宏基因组数据集（共187个样本），对冰川上生态系统进行了DNA病毒基因组重建，提供了一个目前最大的冰川病毒组的基因组名录（SgVG），其中包括38个极地冰川的超过17个病毒家族的10,840种病毒基因组，跨越了雪、冰、冰雪融水以及冰尘等栖息地环境，将目前的冰川病毒组扩大了15倍以上。

与其他生态系统中的病毒相比，冰川上DNA病毒具有高度的特异性，但也表现出较低的公共卫生风险。冰川上的病毒群落主要受生境的限制，冰尘的病毒活性最高。本研究观察到溶原性病毒在所有栖息地中盛行，特别是在低温冰尘中，但在冰雪中存在高水平的溶原性病毒。此外，研究发现，冰川上病毒可以与约83%的原核生物门/类关联作用，并且具有通过多种辅助代谢基因促进代谢和增加宿主在恶劣环境条件下的冷适应性、细胞流动性和酚碳利用的遗传潜力。

本研究数据强调了病毒在冰川上生物地球化学循环中的重要性及其对下游生态系统可持续性的潜在影响。本研究也拓展了研究人员对冰川上病毒的多样性、功能和适应性的认识，为今后对世界冰川的研究提供了基础。

图2 冰川上病毒基因组（SgVG）概况。（a）冰川上病毒种群（vOTUs）的venn图；（b）不同区域共有和独有的vOTUs；（c）已分类的vOTUs的比例；（d）已分类的vOTUs的组成；（e）已分类和未分类的vOTUs的相对丰度。

图3 冰川上病毒群落的差异和多样性。（a）基于Bray Curtis不同相似性指标的冰川上病毒群落的主坐标分析（PCoA）；（b）在不同的冰川栖息地的独特和共有的vOTUs；（c）（d）（e）冰川病毒种群的α多样性指数箱线图分析。

图4 冰川上病毒的生命策略和活动。（a）溶原性病毒vOTUs在所有冰川vOTUs中的比例；（b）溶原性病毒的相对丰度；（c）基于silico病毒-宿主预测的溶原性病毒的相对病毒-细菌比（VBRrelative）；（d）基于silico病毒-宿主预测的裂解性病毒的VBRrelative；（e）青藏高原低温冰尘和冰雪融水中的病毒丰度（VA）、细菌丰度（BA）和病毒细菌比（VBR）；（f）青藏高原冰尘和冰川融水的裂解性和溶原性病毒产率（分别为裂解VP和溶原VP）。

图5 冰川上病毒-宿主连接和宿主谱系特异性病毒-宿主动态。（a）冰川上细菌的系统基因组发育树及病毒与细菌之间的联系。显示（b）宿主相对丰度的热图，（c）log10（VBRrelative）；（d）病毒（log10(virus TPM)）和宿主（log10(host TPM)）的Pearson相关性分析；（e）log10(VBRrelative)和log10(host TPM)的Pearson相关性分析。