上海交大揭示全球海洋温和病毒的多样性及分布规律

近日，上海交通大学生命科学技术学院蹇华哗研究员带领的深海病毒研究组（DVRT）于国际权威期刊《Nature Communications》发表了题为“A systematic analysis of marine lysogens and proviruses”的研究论文。博士生弋伊为论文的第一作者，蹇华哗研究员为通讯作者，肖湘教授为本课题研究提供了重要帮助。该研究同时得到了深部生命国际研究中心（IC-DLI）团队的支持。

病毒是地球上丰度最高的生命体，而全球超过90%的病毒存在于海洋之中，发挥着重要的生态功能。不同于仅具有裂解周期的烈性病毒，温和病毒通常可将自身遗传物质整合于宿主基因组上（这些宿主被称为溶原微生物），并同时具有裂解和溶原两种生命周期。以往的海洋病毒研究多偏向于烈性病毒，而对温和病毒的关注较少。近年来多种证据提示温和病毒和溶原现象在海洋环境中普遍存在。然而，这些证据都来自小样本量的分析，目前对海洋温和病毒多样性及分布规律的系统性评估仍然缺乏，这极大地限制了我们对海洋病毒的整体认知。在这项工作中，研究人员构建了海洋原核微生物基因组数据集（MPGD）和海洋温和病毒基因组数据集（MTVGD），它们分别包含了12080个海洋原核生物和12918个温和病毒基因组，覆盖了全球主要的海洋区域（太平洋、大西洋、印度洋等）、纵向深度（0-11094米）和水体/沉积物两大环境类型（图1）。

基于这两个数据集，研究人员发现溶原微生物在全球海洋中广泛分布，总覆盖率为40.4%。溶原现象在大量海洋微生物类群中广泛存在，其中细菌的溶原率显著高于古菌。溶原覆盖率在水体环境中随着水深的增加而增加，在深海（深度≥1000米）水体中可达到52.8%；而在海洋沉积物环境中则基本稳定，维持在46.1-48.7%之间。系统性分析显示，海洋溶原与非溶原微生物的分化是广泛且显著的，它们具有差异显著的基因组与生活史特征：溶原微生物往往显示更大的基因组大小、更低的蛋白编码密度、更高的GC含量和更快的潜在生长速率。

图1. 海洋原核生物基因组数据集 (MPGD) 和温和病毒基因组数据集（MTVGD）的构建及海洋溶原微生物的分布概览

研究人员通过温和病毒-宿主相互作用网络鉴定了海洋中潜在重要温和病毒类群（tVC），其中包括369个具有跨属侵染能力的tVC，为今后的温和病毒分离、鉴定工作提供了重要的数据支撑（图2）。进一步地，研究人员通过辅助代谢基因鉴定、整合位点分析、病毒-宿主适配性计算等多种手段全面揭示了海洋温和病毒对海洋微生物的基因组演化、代谢重塑和生态功能等多方面的潜在影响。为更深入地揭示海洋温和病毒的功能，研究人员还利用代表性的深海病毒-宿主系统，通过基因敲除、切离频率检测、转录组测序等实验证实了海洋温和病毒是活跃的并能显著影响宿主多种重要功能，包括同化硫酸盐还原、III型分泌系统、运动性等相关基因的表达。

图2. 海洋温和病毒的分布及与原核微生物宿主的相互作用网络

这项工作为海洋病毒研究提供了重要的基础数据集，显著地促进了我们对海洋溶原微生物及温和病毒的整体认知，揭示了温和病毒在海洋生物地球化学循环中的潜在生态功能，填补了海洋病毒知识体系中的薄弱环节。

该研究得到了国家自然科学基金（42176095, 41921006）、国家重点研发计划项目（2021YFF0501302）、上海交通大学深蓝计划（SL2021PT201）、海南省科技计划三亚崖州湾科技城自然科学基金联合项目（2021JJLH0057）等项目的资助。