青藏高原强冰前湖沉积物中DNA病毒的多样性、功能与活动性及其生态意义

《Environmental Microbiology Reports》：Diversity, Function and Activity of DNA Viruses in the Qiangyong Proglacial Lake Sediment, the Tibetan Plateau

本文系统揭示了青藏高原强冰前湖沉积物中DNA病毒群落的高多样性（4039个vOTUs）及其对微生物宿主代谢和生物地球化学循环的潜在调控作用。研究通过宏基因组/宏转录组分析，发现76.6%的病毒未被分类，鉴定出835个辅助代谢基因（AMGs），其中63个为新型功能基因，并首次报道病毒编码的氧化亚氮还原酶（NosZ）。病毒通过裂解宿主和携带AMGs（如参与嘌呤代谢、TCA循环的基因）显著影响碳、氮、硫循环过程，为极端水生生态系统病毒-宿主互作机制提供了新认知。

　　

1 引言

病毒作为地球上最丰富的生物实体，在调节生态系统过程和生物地球化学循环中发挥关键作用。前冰湖作为冰冻圈水生系统的重要组成部分，尽管环境条件极端，仍孕育着多样的微生物群落。然而，前冰湖沉积物中DNA病毒群落的组成和生态功能尚不明确。本研究整合宏基因组和宏转录组方法，揭示了青藏高原强冰前湖沉积物中DNA病毒的多样性、功能活性及与宿主的相互作用。

2 结果与讨论

2.1 强冰前湖沉积物以新型烈性DNA病毒为主导

研究从强冰前湖沉积物中鉴定出4039个病毒操作分类单元（vOTUs），其中76.6%在科水平未被分类，表明存在大量未表征病毒谱系。生命周期预测显示82.2%的病毒为烈性类型，可能通过裂解宿主释放有机质，维持贫营养沉积物中微生物群落的代谢活动。病毒分类涵盖10个DNA病毒门，以Uroviricota（89.9%）和Nucleocytoviricota（4.9%）为主，仅23.4%的vOTUs可鉴定到科水平，提示沉积物中病毒具有高度遗传新颖性。

2.2 强冰前湖沉积物中的病毒-宿主关联

通过iPHoP预测，8.2%的vOTUs与潜在宿主关联，主要宿主为Pseudomonadota、Bacteroidota等细菌及Thermoproteota等古菌。87%的宿主仅被单一病毒感染，体现病毒窄宿主特异性；但部分宿主（如Pseudomonadota bin320）可被3种Caudoviricetes病毒共同感染，可能促进基因交流与宿主适应性进化。宿主防御系统分析显示，75.4%的MAGs含有限制修饰系统（RM），29.0%含有CRISPR-Cas系统，而病毒则编码甲基转移酶（抵抗RM系统）或抗毒素同源物（如MazE）以应对宿主防御。

2.3 环境因子驱动病毒与宿主群落动态

病毒群落α多样性与pH、NO₃^?-N呈正相关，与NH₄⁺-N负相关。距离基于冗余分析（dbRDA）显示总有机碳（TOC）显著影响病毒群落结构。33对病毒-宿主组合（41.3%）与环境因子相关，其中20对与NH₄⁺-N负相关，17对与NO₃^?-N正相关，表明氮源可利用性调控病毒-宿主互作。

2.4 病毒调控前冰湖沉积物生物地球化学循环

病毒通过感染关键功能微生物间接影响碳、氮、硫循环。例如，感染氨氧化古菌（Thermoproteota）的病毒可能调控硝化启动步骤；携带NosZ基因的病毒（vOTU QYJanS9.5_2190828）可能补偿宿主反硝化功能。此外，病毒感染产H₂菌（如Bacteroidales）及H₂依赖型产甲烷菌（Methanomassiliicoccales），暗示病毒对温室气体排放的潜在影响。

2.5 辅助代谢基因（AMGs）的功能

共鉴定835个AMGs，涉及59条代谢通路，以核苷酸代谢（25.6%）、辅因子维生素合成（24.0%）为主。发现63个新型AMGs，包括淀粉酶（amy）、β-葡萄糖苷酶（bglX）及TCA循环相关2-酮戊二酸铁氧还蛋白氧化还原酶（korA等）。结构预测与转录活性验证支持其功能，如amy和bglX可能增强宿主多糖降解能力。病毒编码的NosZ为首次报道，拓展了病毒在氮循环中的角色。部分AMGs（如核糖体蛋白基因）与宿主基因同源性达100%，可能优化病毒复制效率；而aceA（异柠檬酸裂合酶）等基因可能通过水平转移引入新功能。

3 结论

本研究系统刻画了前冰湖沉积物DNA病毒的高多样性及其通过裂解宿主、携带AMGs调控微生物代谢网络的潜力，为理解极端水生生态系统病毒生态功能提供了新视角。

4 方法

沉积物样本采集自青藏高原强冰前湖，通过宏基因组/宏转录组测序、病毒contig鉴定（geNomad、Virsorter2等工具）、病毒-宿主关联预测（iPHoP）、AMGs注释（DRAM-v流程）及转录活性分析（TPM计算）揭示病毒群落特征与生态功能。