南海永乐蓝洞氧化-缺氧区病毒生态基因组学研究揭示新型病毒多样性及其辅助代谢功能

为解决深海蓝洞这一特殊缺氧生态系统中病毒群落认知空白的问题，研究人员开展了针对南海永乐蓝洞(YBH)氧化-缺氧区的病毒生态基因组学研究。通过宏基因组技术鉴定出1,730个病毒操作分类单元(vOTUs)，发现缺氧层富含新型病毒属，并揭示了病毒通过编码硫、氮、碳代谢相关辅助代谢基因(AMGs)调控宿主代谢过程的潜力，为理解极端环境下病毒-宿主互作及生物地球化学循环提供了新见解。

　　

深海蓝洞作为海洋中独特的化学分层生态系统，其陡变的物理化学梯度与复杂的生物过程一直吸引着微生物生态学家的关注。位于南海的永乐蓝洞(Yongle Blue Hole, YBH)作为世界最深的海洋蓝洞(301米)，具有典型的氧化层(0-80米)、化学跃层(80-115米)和缺氧层(115米以深)的三层结构，为研究特殊生境下的微生物群落提供了天然实验室。虽然前期研究对YBH细菌群落结构和不同生活方式已有初步探索，但关于病毒群落的认知仍近乎空白。病毒在调控全球海洋生物地球化学过程中扮演关键角色，通过裂解宿主促进有机质循环，并通过水平基因转移(HGT)塑造原核生物的进化。更为重要的是，病毒编码的辅助代谢基因(AMGs)能够重编程宿主代谢，影响碳、氮、硫等关键元素循环。在氧气 deficient 水柱(ODWCs)中，病毒可能通过调控微生物代谢过程影响温室气体排放、营养盐转化和渔业生产力。因此，解析YBH病毒群落的多样性、 novelty 及生态功能，对理解封闭生态系统中的病毒驱动机制具有重要意义。

研究人员采用宏基因组方法对YBH氧化层和缺氧区海水样本的"病毒组分"(<0.22μm)和"细胞组分"(>0.22μm)进行分析，结合公共数据库中南海开阔水域(SCS)的病毒基因组数据进行比较研究。关键技术方法包括：通过铁氯化物絮凝法富集病毒颗粒；利用Illumina Novaseq 6000平台进行宏基因组测序；使用VirSorter2、VIBRANT和DeepVirFinder多工具联合鉴定病毒contigs；基于CheckV评估病毒基因组质量；通过vConTACT2进行基因共享网络分析；利用VirMatcher预测病毒-宿主关联；应用DRAM-v和VIBRANT注释AMGs并进行人工矫正；采用BWA和CoverM计算病毒相对丰度。样本来源包括YBH的60米、80米(合并为氧化层样本)、120米和140米深度层，以及SCS开阔水域的公开数据集。

病毒群落组成与多样性

研究共鉴定出1,730个vOTUs，其中超过70%属于Caudoviricetes和Megaviricetes类， particularly Kyanoviridae、Phycodnaviridae和Mimiviridae家族。基因共享网络分析表明， deeper 缺氧层包含高比例的新型病毒属(77%)，而氧化层病毒属与SCS开阔水域样本重叠。病毒关联的原核宿主主要属于Patescibacteria、Desulfobacterota和Planctomycetota门。值得注意的是，检测到的推定AMGs表明这些病毒可能影响光合和化能合成途径，以及甲烷、氮和硫代谢，特别是几个高丰度AMGs可能参与原核生物的 assimilatory 硫还原过程。

病毒群落结构与环境驱动因子

非度量多维标度(nMDS)分析显示YBH与SCS病毒群落结构存在显著差异(p<0.01)，且缺氧层病毒群落与开阔水域差异最大。典范对应分析(CCA)表明溶解氧(DO)和总有机碳(TOC)是塑造病毒群落的最主要环境因子。病毒家族水平上，Kyanoviridae在氧化层相对丰度显著高于缺氧层(p<0.05)，而Tectiliviricetes类病毒在140米缺氧层呈现特异性富集(丰度较上层高750倍)。

病毒-宿主互作网络

研究预测了274对病毒-宿主关联，涉及230个vOTUs与121个宏基因组组装基因组(MAGs)。77.69%的病毒关联MAGs来源于 hypoxic 和缺氧区，表明低氧环境更易检测到病毒-宿主关联。宿主谱系涵盖5个古菌门和21个细菌门，其中Patescibacteria门宿主关联的vOTUs数量最多(n=69)，且全部来源于缺氧层。跨门感染现象较少，仅5个vOTUs能够感染两个不同门的宿主。

病毒编码的辅助代谢功能

共鉴定出301个AMGs(涉及163个vOTUs)，涵盖101个基因家族。这些AMGs主要参与碳代谢(187个)、辅因子与维生素代谢(70个)和能量代谢(46个)。能量代谢相关AMGs中，光合作用和碳固定基因在氧化层丰度较高，而缺氧层特有AMGs更倾向于支持化能自养过程。特别值得注意的是，25个参与硫代谢和硫 relay 系统的AMGs(包括cysH、cysK、cysC、cysE、soxX和soxY)在YBH中特异性分布，其中cysH(编码PAPS reductase)在氧化层和缺氧层均呈现高丰度。系统发育分析表明这些硫代谢AMGs与来源于缺氧区的原核生物同源基因聚类，暗示其通过HGT从宿主获得。

研究结论表明，YBH病毒群落具有高度的新颖性和生态功能特异性，特别是在缺氧层富含未被描述的病毒类群。病毒通过编码参与关键生物地球化学循环的AMGs，可能调控宿主的代谢活动，进而影响YBH的碳固定、甲烷代谢、氨氮转化和硫循环过程。这些发现不仅揭示了蓝洞生态系统病毒群落的独特组成和功能，也为理解极端环境下病毒-宿主共进化及其对生物地球化学循环的贡献提供了新视角。该研究强调了对特殊海洋生态系统病毒群落进行持续监测的必要性，未来需结合更深入的采样设计和技术手段，进一步解析病毒在缺氧环境中的适应机制和生态效应。论文发表于《Environmental Microbiome》期刊，为海洋病毒生态学研究提供了重要的数据集和理论依据。