光合隐藻中谱系特异性扩张的Polinton样病毒(PVLs)揭示淡水藻类抗病毒防御新机制

本研究针对淡水生态系统中广泛分布的光合隐藻基因组内Polinton样病毒(PLVs)的多样性和功能展开深入探究。研究人员通过长读长测序技术构建高质量隐藻基因组，发现Rhodomonas lacustris基因组中存在706个完整PLVs的谱系特异性扩张现象。研究揭示了PLVs通过不同整合酶(rve-INT/YREC)和复制策略(pDNAP/TVpol-S3H)的分化，证实其MCP基因在培养和环境样本中的活跃表达，为理解淡水藻类与病毒互作提供了新视角。该成果发表于《Microbiome》，对解析藻类水华动态调控机制具有重要意义。

　　

在淡水生态系统中，藻类水华的形成与消退一直是微生物生态学的核心问题。近年来研究发现，一类被称为Polinton样病毒(Polinton-like viruses, PLVs)的DNA病毒元件在调控藻类-病毒互作中可能扮演关键角色。这些14-40 kb的双链DNA元件不仅作为游离病毒存在，更能以内源性病毒元件(Endogenous Viral Elements, EVEs)形式整合到宿主基因组中。特别有趣的是，某些PLVs被证实能抑制感染同一宿主的巨型病毒(Nucleocytoviricota)增殖，从而影响宿主种群动态。然而，由于大多数PLVs来自宏基因组数据，其宿主关联性和在重要淡水藻类中的分布特征仍不清楚。捷克科学院水生微生物生态学系的Paul-Adrian Bulzu团队选择光合隐藻——这类在淡水环境中广泛分布且常形成水华的关键藻类作为研究对象，通过前沿基因组学方法揭示了PLVs的惊人多样性及其生态意义。

研究采用PacBio HiFi和Oxford Nanopore长读长测序技术，对包括淡水Rhodomonas lacustris(NIVA-8/82)和Cryptomonas pyrenoidifera(NIVA-2/81)在内的5种隐藻进行基因组测序，结合公共数据共分析11个高质量原生生物基因组。通过GC含量偏移分析和末端反向重复序列(Terminal Inverted Repeats, TIRs)检测，辅以HMM模型识别病毒特征基因，系统鉴定了基因组中的PLVs。转录组分析则用于检测PLV基因的表达活性。

基因组重建结果显示隐藻基因组呈现极高重复性(>60%)，其中R. lacustris基因组(331 Mb)中鉴定出706个完整PLVs，占基因组总长的4.75%。这些PLVs在GC含量上与宿主基因组存在显著差异(14-28%)，并保留典型TIRs结构。引人注目的是，不同隐藻物种间PLVs数量差异巨大，如海洋Storeatula sp.仅含101个PLVs。

通过MCP系统发育分析发现隐藻PLVs形成两个显著分支：一个包含与高山湖泊PLVs(GKS1组)相似的R. lacustris序列(占其PLVs的45%)；另一个则形成以淡水Rhodomonas/Cryptomonas为主的多样化分支。基因共享网络分析进一步将PLVs划分为6个特征群组(C1-C6)，各组具有独特的基因组成模式。例如C3群组PLVs普遍编码半胱氨酸蛋白酶，而C1群组则偏好TVpol-S3H融合蛋白作为复制酶。

功能注释揭示了PLVs采用多样化生存策略：约85%的C3群组PLVs编码逆转录病毒型整合酶(rve-INT)并产生6 bp靶位点重复(Target Site Duplications, TSDs)，而78%的C1群组PLVs则使用酪氨酸重组酶(YREC)介导基因组整合。复制系统方面，除典型蛋白引物DNA聚合酶(pDNAP)外，还发现细菌DNA聚合酶I(TVpol)与超家族3解旋酶(S3H)的融合蛋白等替代复制机制。

特别值得注意的是，PLVs编码多种噬菌体样纤维蛋白用于宿主识别，包括层粘连蛋白G₃、胶原样重复序列和腺病毒纤维蛋白结构域。这些蛋白通过多聚化形成附着复合体，其中R. nottbecki PLVs甚至含有7个连续的层粘连蛋白结构域，显著增强结合亲和力。此外，SLATT结构域(推测参与内体逃逸)在隐藻PLVs中广泛存在(868个)，而Dam甲基化酶可能提供对抗宿主限制系统的保护。

转录组分析证实PLVs在培养条件下保持活性：在R. lacustris和Hydrurus foetidus中检测到9个完整MCP转录本，且均来自TIR保守(≥97%)的近期整合元件。更关键的是，从淡水水库(Rimov Reservoir)夏季水华样本中鉴定出60个PLV MCPs，其中10个与C. pyrenoidifera内源性PLVs高度相似，首次为环境中的PLV-宿主关联提供了直接证据。

这项研究通过构建高质量隐藻基因组资源，揭示了PLVs在淡水藻类中前所未有的多样性及其谱系特异性扩张模式。发现PLVs采用不同的整合(rve-INT/YREC)和复制策略(pDNAP/TVpol-S3H)，并通过多样化纤维蛋白实现宿主特异性感染。环境转录数据证实PLVs在自然水体中的活跃表达，暗示其可能通过调控藻类-巨型病毒互作影响水华动态。这些发现为建立首个淡水原生生物-巨型病毒-PLVs实验系统奠定了基础，对理解水生病毒圈的进化生态学具有重要意义。未来研究可聚焦PLVs与巨型内源性病毒元件(Giant Endogenous Viral Elements, GEVEs)的互作机制，以及tRNA-Arg等基因在病毒-宿主共进化中的作用。