深海病毒多样性及其在宿主代谢复杂有机物中的生态作用解析

《Nature Communications》：Deep-sea viral diversity and their role in host metabolism of complex organic matter

本研究针对深海冷泉与海山沉积物中病毒多样性及功能未知的问题，通过整合宏基因组、病毒组与宏转录组等多组学数据，系统揭示了DNA与RNA病毒群落的组成差异及其对宿主代谢复杂有机物（COM）的调控潜力。研究发现新兴冷泉站点具有独特的病毒群落特征，其RNA病毒和温和病毒比例显著升高，且病毒功能基因积极参与宿主代谢过程。该成果发表于《Nature Communications》，为深入理解深海碳循环的病毒驱动机制提供了关键证据。

　　

在广袤的深海海底，从荒芜的平原到富含甲烷的冷泉和海山，隐藏着地球上最庞大的有机碳库。这些极端环境中的微生物通过降解复杂有机物（COM）驱动全球碳循环，然而，其背后的调控机制尤其是病毒的作用长期未被揭示。病毒作为生物圈中数量最多、遗传多样性最丰富的实体，不仅通过裂解宿主影响微生物群落结构，还能通过水平基因转移和携带辅助代谢基因（AMG）直接调控宿主代谢。尽管前期研究在海洋表层水体中积累了较多病毒生态学数据，但深海沉积物——这一蕴含近半数海洋原核生物量的关键区域——其病毒多样性、生活方式及其对COM代谢的贡献仍属未知。

为此，研究团队选取南海四种典型深海沉积物（衰退冷泉、远离冷泉的沉积区、新兴冷泉和海山）为研究对象，通过多组学联用策略展开系统性探索。关键技术方法包括：沉积物总有机碳（TOC）含量测定、16S rRNA基因扩增子测序、宏基因组组装与分箱（binning）、病毒颗粒纯化与透射电镜（TEM）形态观察、DNA/RNA病毒组测序、病毒-宿主关联预测、病毒生活方式（裂解/温和）鉴定以及宏转录组功能基因表达量化。

深海沉积物中病毒形态的多样性

通过TEM观察，研究发现在所有沉积物样本中均存在丰富的病毒颗粒，包括具脂质包膜的病毒（如Globuloviridae）、肌尾病毒科（Myoviridae）和长尾病毒科（Siphoviridae）等典型形态，以及丝状（Inoviridae）和杆状（Rudiviridae）病毒样颗粒。

这些形态多样性表明深海是未知病毒 lineages 的重要储存库，其独特的感染机制可能适应了极端环境。

DNA病毒群落的多样性、宿主互作与生活方式

从DNA病毒组中鉴定出1,764个病毒操作分类单元（vOTU），其中89.57%属于有尾病毒门（Uroviricota）。群落结构分析显示，双链DNA（dsDNA）病毒在所有样本中占主导，而新兴冷泉站点中温和病毒比例显著升高（15.2%），提示其在动态环境中通过溶原性策略增强宿主适应性。

宿主预测表明，病毒主要靶向热脱硫菌门（Thermodesulfobacteriota）和假单胞菌门（Pseudomonadota）等优势微生物类群，且53.5%的古菌宿主存在于新兴冷泉，凸显该站点病毒-古菌互作的活跃性。

RNA病毒群落的特性与生态作用

RNA病毒组分析获得767个vOTU，以单链RNA（ssRNA）病毒为主，其中克里诺病毒门（Kitrinoviricota）占比最高（47.33%。与DNA病毒相反，RNA病毒在新兴冷泉中几乎全部感染真核生物，且绝大多数为裂解型生活方式，表明其可能通过调控真核种群动态影响深海底栖生态系统的能量流动。

病毒功能基因对COM降解的潜在影响

功能注释显示，DNA病毒携带大量与COM降解相关的基因（如糖苷水解酶GH、肽酶等），而RNA病毒中此类基因较少。宏转录组数据进一步证实，这些基因在不同沉积环境中均活跃表达，其中DNA病毒功能基因在衰退冷泉和普通沉积区表达量高，而RNA病毒基因在新兴冷泉和海山占主导。

这表明病毒可能通过编码碳水化合物活性酶（CAZyme）等关键酶类，直接参与降解藻类碎屑等难降解有机物，从而加速深海碳循环。

结论与展望

本研究首次系统揭示了深海冷泉与海山沉积物中DNA和RNA病毒群落的组成差异、宿主互作模式及其功能潜力。新兴冷泉独特的病毒群落结构（如高比例温和病毒与真核病毒）暗示病毒在早期生态系统形成中具有塑造微生物群落的作用。病毒功能基因的活跃表达则证实其能够通过“代谢劫持”策略增强宿主对COM的降解能力，进而影响深海碳通量。这些发现不仅拓展了对深海病毒生态角色的认知，也为理解全球碳循环的微观驱动机制提供了新视角。未来研究需结合病毒分离培养与宿主互作实验，进一步验证特定病毒基因在COM转化中的直接功能。