太湖蓝藻水华期间病毒群落的时空动态、微多样性及其生态功能解析

本研究针对蓝藻水华对水生生态系统的严重威胁，通过纵向宏基因组和宏转录组分析，揭示了太湖蓝藻聚集体（CAs）中病毒群落的时空演替规律。研究人员发现5613个病毒操作分类单元（vOTUs）的丰度与蓝藻水华面积扩张呈正相关，鉴定出1791对病毒-宿主关联，其中感染微囊藻（Microcystis）和长孢藻（Dolichospermum）的病毒表现出高复制活性与宿主丰度动态耦合。研究首次阐明病毒通过正选择复制相关基因（pN/pS>1）适应宿主演替，并发现病毒编码的辅助代谢基因（AMGs）参与光合作用（psbA）、生化循环和DNA合成等关键过程。该成果为理解蓝藻水华形成机制及病毒调控作用提供了新视角，发表于《npj Biofilms and Microbiomes》。

　　

蓝藻水华如同水域中的"绿色荒漠"，其暴发不仅导致水体缺氧、生物多样性下降，还会释放微囊藻毒素等有害物质，通过饮用水或食物链威胁人类健康。在太湖这样的浅水富营养化湖泊中，蓝藻聚集体（Cyanobacterial Aggregates, CAs）形成的"藻际环境"（phycosphere）成为微生物相互作用的温床。然而，以往研究多聚焦自由生活病毒（free-living viruses）的种群间动态，对藻际病毒这个"隐形调控者"的认知仍存在巨大空白。

为破解这一难题，Tianyi Chen等团队在太湖北部湾开展为期10个月的纵向监测，采集16个CA样本进行配对宏基因组和宏转录组测序。研究整合病毒验证工具（viralVerify、VIBRANT等）鉴定病毒基因组，通过CRISPR间隔序列匹配、tRNA同源性和序列相似性预测病毒-宿主关系，并利用inStrain分析病毒微多样性（microdiversity）和选择压力（pN/pS）。环境因子与病毒群落的关联通过共现网络和Procrustes分析揭示，而病毒功能潜力则通过DRAM-v注释的辅助代谢基因（AMGs）及其转录活性来解析。

病毒群落的时空动态与驱动因素

研究鉴定出5613个非冗余病毒操作分类单元（vOTUs），其α多样性与细菌群落显著相关（r=0.78）。β多样性分析显示，病毒群落结构在蓝藻水华早期和晚期差异显著（p<0.001），水温（WT）和总氮（TN）是主要驱动因子。值得注意的是，病毒丰度（RPKM）与水华面积呈正相关，尤其在样本M8（水华面积峰值481.1 km²时）达到最高。

病毒-宿主分类与感染动力学

病毒主要属于有尾双链DNA噬菌体（Caudoviricetes），占分类注释病毒的51.1-92.1%。1791对病毒-宿主关联中，蓝菌门（Cyanobacteriota）和假单胞菌门（Pseudomonadota）宿主占比最高（52.3%和34.5%）。病毒-宿主丰度比（VHR）全程>1，显示病毒对宿主的"自上而下"控制。其中感染长孢藻（Dolichospermum）的病毒在晚期呈现爆发式增殖（VHR与宿主丰度正相关），符合"杀赢家"（kill the winner）理论。

病毒微多样性模式

病毒平均核苷酸多样性（8.4×10^-3）显著高于海洋病毒，中水华期多样性最高。Microcystis、Pseudanabaena等优势宿主关联的病毒表现出高核苷酸多样性（>95%分位数），暗示"红皇后"（Red Queen）共进化机制。3%的病毒基因经历正选择（pN/pS>1），主要涉及DNA复制、重组和细胞壁合成等功能模块。

病毒AMGs的生态功能

292个AMGs中，光合系统II蛋白基因psbA表达量最高（平均10.8 TPM），其编码蛋白通过Phyre2结构预测验证功能。核糖核苷酸还原酶（K00525/K00526）等DNA合成相关AMGs在中水华期显著上调，而溶原病毒特有的TCA循环基因（如乌头酸水合酶）提示差异化代谢调控策略。AMGs表达量与铵态氮（NH₄⁺-N）等营养盐显著相关，体现病毒对环境的适应性调控。

这项研究首次系统揭示了藻际病毒在蓝藻水华全周期的四维动态（分类、遗传、功能和转录），为理解病毒介导的微生物互作提供了新范式。发现的高微多样性病毒种群和功能可塑性AMGs，为开发基于病毒调控（如靶向cyanophage疗法）的水华治理策略奠定理论基础。研究还提示，气候变化背景下水温升高可能通过增强病毒进化压力（SNV频率与WT正相关）进一步影响水华进程，这对富营养化湖泊管理具有重要预警意义。