长江淡水生态系统中噬菌体群落的生态驱动因素及其功能作用

《Journal of Hazardous Materials》：Ecological Drivers and Functional Roles of Phage communities in the Yangtze River’s Freshwater Ecosystems

病毒多样性及功能基因在长江流域四个生境中的系统分析表明病毒丰度随海拔升高显著下降，且宿主-病毒互作关系与pH、铵态氮浓度等环境因子密切相关。研究发现病毒携带多种功能基因，包括占比最高的碳水化合物降解酶、广泛的抗生素抗性基因（以万古霉素抗性为主）及首次报道的塑料降解相关甲壳酶基因。研究揭示了病毒群落结构、宿主互作机制及环境驱动因素间的系统性关联，为淡水病毒生态学研究提供重要数据支撑。

　　在快速城市化的背景下，中国最大的淡水系统——长江正面临日益严重的污染压力。尽管细菌介导的抗生素抗性已经被广泛研究，但关于噬菌体（phage）群落的功能作用及其生态风险的理解仍显不足。本研究通过对长江流域四个不同生态环境（自由生活环境、颗粒附着环境、沉积物和河岸土壤）的204个样本进行全面的病毒组分析，识别出18,865个病毒操作分类单元（vOTUs），并观察到病毒群落与宏基因组组装基因组（MAGs）之间在所有生态环境中均存在显著相关性。值得注意的是，随着海拔的升高，病毒与宿主的比例（VHR）显著下降。功能注释结果显示，有1,367个病毒contigs携带与六个功能类别相关的基因，每个类别在不同生态环境中表现出独特的分布模式。碳水化合物降解酶（CAZy）在自由生活环境的水中尤为丰富。在噬菌体携带的抗生素抗性基因（ARGs）中，万古霉素抗性最为显著，尤其是在沉积物和土壤中，而汞抗性基因则主要出现在沉积物中。此外，几丁质酶基因构成了噬菌体编码基因中与塑料降解相关的最丰富基因组。我们鉴定了84对高置信度的病毒-宿主配对，其中大多数感染的是变形菌门（Proteobacteria）。通过随机森林模型分析，我们发现海拔是影响病毒群落丰度的主要驱动因素。较高的海拔与较高的pH值和较低的NH??-N浓度相关，这表明营养限制可能削弱病毒与宿主之间的相互作用。本研究首次系统评估了长江流域的病毒多样性及其功能潜力，为理解淡水生态系统中的噬菌体生态提供了新的视角。

病毒在水生生态系统中扮演着至关重要的角色，它们通过感染和裂解宿主细胞影响微生物群落的组成，同时通过病毒分流和病毒穿梭机制影响生物地球化学循环和能量流动。越来越多的证据表明，病毒在关键元素循环（如碳、氮、磷和硫）中具有重要作用。此外，病毒还能通过转导过程传播抗生素抗性基因（ARGs），引发公众健康方面的担忧。例如，在日本的琵琶湖研究中，发现不同水层的病毒群落具有独特的生态机制。进一步的研究还表明，浅水区域的病毒编码与同化硫酸盐还原相关的基因。病毒基因组中还发现了赋予病毒对活性氧（ROS）和志贺毒素抗性的基因，这使得噬菌体能够减轻环境压力并抵抗真核生物的捕食。此外，在湖泊系统中也发现了与光合作用和碳固定相关的病毒基因。淡水病毒中存在多种耐多药和β-内酰胺类抗生素的基因，凸显了它们在进化驱动和潜在健康威胁中的双重角色，强调了在水生环境中评估病毒功能影响的重要性。

长江作为中国最重要的淡水系统之一，不仅是数亿人口饮用水、农业灌溉和工业用水的重要来源，同时也是研究病毒生态的关键区域。随着全球对病毒生态学的兴趣不断增长，全面了解长江流域的病毒多样性和功能对于阐明微生物调控机制和潜在环境风险具有重要意义。目前，关于长江病毒群落的系统研究仍较为有限，这限制了我们对病毒在大型淡水生态系统中作用的理解。因此，本研究采用了一种综合的方法，将204个已发表的宏基因组数据集与相应的理化参数相结合，涵盖从上游到下游的37个采样点，包括水体中自由生活和颗粒附着的微生物组分，以及沉积物和河岸土壤样本。通过严格的生物信息学流程，我们识别了病毒和宿主序列，以回答以下关键问题：（1）长江四个不同生态环境中的病毒群落组成和分布模式是什么？（2）这些病毒携带哪些与碳循环、毒力因子、重金属抗性、抗生素抗性、生物杀灭剂抗性以及塑料降解相关的功能基因，它们之间又存在怎样的相互关系？（3）环境因素如何影响病毒的多样性及其功能特征？本研究不仅系统描述了长江流域病毒群落的结构，还揭示了病毒编码功能基因的系统发育分布及其与环境因素的耦合关系，为深入理解淡水病毒生态提供了宝贵的信息。

在本研究中，我们从长江流域的204个宏基因组样本中识别出18,865个高质量的病毒序列，每个序列长度超过2 kb。其中，3,084个序列长度超过5 kb（图1b和补充材料1）。在这些序列中，16,475个被注释为已知病毒，而2,390个则被归类为新型、尚未表征的病毒。这些结果突显了长江流域病毒多样性的广泛性，并强调了进一步探索这一领域的重要性。病毒群落在不同生态环境中的分布模式表明，它们在维持生态系统功能和调控微生物群落方面具有重要作用。例如，自由生活环境的水体中富含与碳水化合物降解相关的酶，而沉积物和土壤中则出现了较多的抗生素抗性基因和重金属抗性基因。此外，我们还发现了与塑料降解相关的几丁质酶基因，这为理解病毒在污染物分解中的潜在作用提供了新的线索。

病毒与宿主之间的相互作用在不同生态环境中表现出显著的差异。我们的研究发现，随着海拔的升高，病毒和宿主的丰度均下降，这表明海拔高度可能对病毒的分布和宿主的生存构成限制。这种海拔相关的模式可能与环境中的理化参数变化有关，如pH值和氮浓度。较高的pH值和较低的NH??-N浓度可能影响病毒的活性和宿主的代谢过程，从而削弱病毒与宿主之间的相互作用。这些发现不仅揭示了病毒在不同环境中的适应性，也为理解病毒如何响应环境变化提供了依据。此外，我们通过随机森林模型分析了环境因素对病毒群落丰度和功能特征的影响，发现海拔是影响病毒分布的主要驱动因素。这一结果可能对未来的生态研究和环境管理具有重要意义，尤其是在高海拔地区如何维持病毒-宿主系统的平衡。

本研究的发现对于理解病毒在水生生态系统中的生态功能具有深远的意义。首先，病毒作为微生物群落的重要组成部分，其多样性与功能特征直接反映了生态环境的健康状况。其次，病毒携带的抗生素抗性基因和重金属抗性基因可能对环境和人类健康构成潜在威胁。这些基因的传播和扩散不仅影响微生物群落的组成，还可能通过食物链传递到更广泛的生态系统中。因此，对病毒携带的这些基因进行深入研究，有助于评估其在环境中的传播风险，并为制定有效的防控措施提供科学依据。此外，病毒在污染物降解中的作用也值得关注，尤其是在塑料污染日益严重的背景下，病毒编码的降解酶可能为环境修复提供新的思路。

从生态系统的角度来看，病毒不仅是微生物群落动态变化的重要参与者，也是生态过程中的关键调控因子。它们通过裂解宿主细胞，释放宿主细胞内的有机物，从而影响碳、氮、磷等元素的循环。这种现象被称为病毒分流，是水生生态系统中能量流动和物质循环的重要机制。此外，病毒还可以通过转导过程将基因传递给宿主，促进基因水平转移，进而影响微生物的进化和功能。因此，病毒在生态系统中的作用不仅限于单纯的生物过程，还可能通过基因传播和生态调控影响整个生态系统的稳定性和功能。

在长江流域的病毒研究中，我们发现不同生态环境中的病毒群落具有显著的差异。自由生活环境的水体中，病毒主要与碳循环相关，而颗粒附着环境中的病毒则表现出更多的功能多样性。沉积物和河岸土壤中的病毒群落则主要与重金属抗性和抗生素抗性相关，这可能与这些环境中污染物的积累和微生物的适应性有关。此外，我们还发现了一些与塑料降解相关的基因，这表明病毒在应对环境污染方面可能具有一定的潜力。这些发现不仅有助于理解病毒在不同生态环境中的功能角色，也为未来研究提供了新的方向。

总体而言，本研究通过系统分析长江流域的病毒群落，揭示了病毒在维持生态系统功能和调控微生物组成中的重要作用。我们不仅描述了病毒的多样性及其分布模式，还探讨了它们的功能潜力及其与环境因素的相互关系。这些发现对于理解病毒在淡水生态系统中的生态功能具有重要意义，并为未来的生态研究和环境管理提供了科学依据。此外，本研究还强调了病毒在抗生素抗性传播和环境修复中的潜在作用，进一步凸显了病毒生态学研究的重要性。通过这些研究，我们能够更全面地认识病毒在生态系统中的角色，为保护和管理水资源提供新的视角和策略。