《Frontiers in Microbiology》：Cell-associated viral community composition and its functional potential in a dimictic lake on the Canadian shield
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Turkey Lake流域（TLW）位于安大略省北部，构成一个梯级湖泊系统，最终汇入苏必利尔湖。历史上，TLW一直是酸雨和气候变化研究的关键场地。尽管其长期具有生态重要性，但对其微生物群落的研究仍然有限，且迄今为止尚无研究明确考察该流域的病毒组分。病毒常被
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Turkey Lake流域（TLW）位于安大略省北部，构成一个梯级湖泊系统，最终汇入苏必利尔湖。历史上，TLW一直是酸雨和气候变化研究的关键场地。尽管其长期具有生态重要性，但对其微生物群落的研究仍然有限，且迄今为止尚无研究明确考察该流域的病毒组分。病毒常被认为在水生环境中的营养循环中发挥作用，并强烈影响其微生物宿主。因此，病毒生态学为延伸TLW的环境研究遗产提供了一条有力途径，可通过识别长期酸沉降、气候、水文、碳化学和森林干扰变化经由微生物食物网传播的生物学机制。首要步骤可包括初步了解存在的病毒类型，以及它们可能感染的微生物宿主信息。研究人员于2018年夏季至2020年冬季对Big Turkey Lake（BTL）——TLW内主要湖泊之一——开展了季节性宏基因组学调查。该研究表征了细胞相关病毒群落的多样性和组成，预测了潜在宿主关系，并鉴定了辅助代谢基因（AMGs）以更好地理解这些病毒的功能角色。结果显示，病毒群落具有动态性，随季节变化。大多数病毒contigs被分类为Caudoviricetes，而Phycodnaviridae成员作为重要的非噬菌体贡献者出现在病毒群落中。研究人员重建了六个draft病毒宏基因组组装基因组（vMAGs），大小范围为11至45 kbp，均被鉴定为Caudoviricetes，其中两个为潜在温和噬菌体，第三个含有核糖体基因。值得注意的是，与脂质代谢相关的AMGs仅在冬季被检测到，提示这些基因在BTL中可能具有季节或生态位特异性作用。与磷获取相关的AMGs在所有样本中均存在，提示TLW中先前描述的溶解有机物质运输动态与磷之间存在潜在耦合，并与本文所述的宿主-病毒动态相关联。综上所述，这些发现首次提供了对TLW病毒生态学的认识，并为未来研究病毒在该重要栖息地塑造微生物动态中的作用奠定了基础。
论文解读文章：
一、研究背景与科学问题
病毒是水生环境微生物群落的重要组成部分，在生物地球化学循环、初级生产调控和细菌死亡率中发挥关键作用。通过感染并裂解宿主细胞，病毒影响营养盐周转和能量流动，并通过表达辅助代谢基因（AMGs）——即病毒感染过程中通过水平基因转移等进化过程获得的基因——塑造细菌和微藻活性。尽管这些基因通常不直接参与病毒复制，但可增强宿主代谢，影响关键细胞功能。在水生系统中，AMGs涉及光合作用、碳代谢、辅因子生物合成和营养循环等过程。值得注意的是，海洋系统中约40%的psbA（光系统II）表达源自病毒，凸显了病毒及其AMGs的生态意义。
尽管海洋病毒研究占主导，近期进展已揭示淡水环境中病毒和微生物群落的显著多样性。淡水系统的季节性病毒丰度和群落组成模式主要受宿主可利用性控制，受营养供应等自下而上因素和捕食等自上而下因素影响。然而，大多数水生环境中病毒感染动态和代谢能力仍存在重大认知空白。有害藻华（HABs）期间病毒的作用尚不确定，AMGs在HAB事件中的功能也知之甚少。海洋与淡水系统在尺度和物理结构上的差异意味着海洋研究结论不能直接外推至湖泊。淡水系统通常较浅且封闭，对富营养化和气候变化等局部因素更为敏感。
Turkey Lake流域（TLW）位于安大略省北部，形成汇入苏必利尔湖的梯级湖泊系统。历史上该流域是酸雨和气候变化研究的关键场地，但对其微生物群落研究有限，且从未有研究明确考察其病毒组分。Big Turkey Lake（BTL）是TLW内最大湖泊，分类为双季混合（dimictic）和寡营养（oligotrophic）湖泊。鉴于病毒在营养循环中的重要作用及其对微生物宿主的强烈影响，开展该流域病毒生态学研究有助于延伸其环境研究遗产，识别长期环境变化通过微生物食物网传播的生物学机制。此外，内陆湖泊采样受设备和可达性限制，传统大体积病毒浓缩方法不切实际，因此聚焦细胞相关病毒组分——包括附着于或可能感染宿主细胞的病毒——成为可行方案，仅需过滤宿主细胞而非大量水浓缩。
二、主要技术方法
研究人员于2018年7月至2020年1月期间，在BTL的Secchi深度采集水样（1L，三重复），通过47 mm Whatman GF/C过滤器真空过滤，?20°C保存。仅每个时间点的一个重复样本送测序。DNA提取采用Qiagen DNeasy PowerSoil试剂盒，Illumina MiSeq 250×2双端测序。原始reads经Metagenome-atlas pipeline（ver. 2.9.0）进行质控和组装，使用BBtools套件修剪过滤reads，MetaSPAdes作为组装器。病毒contigs鉴定采用WhatThePhage pipeline（ver. 1.1.0）中的VIBRANT和VirSorter2组合，最小长度阈值1,500 bp。基因注释使用JGI的IMG/ER资源。分类学评估使用geNomad（ver. 1.11.1）的annotate功能。CheckV用于验证短病毒contigs的有效性。病毒contigs使用vRhyme（ver. 1.1.0）进行binning，vMAGs完整度和污染度用CheckV评估。覆盖度计算使用CoverM（ver. 0.6.1）。AMGs鉴定参照VIBRANT方法，将IMG/ER注释与KEGG Orthology（KO）数据库比对。宿主预测使用iPHoP pipeline（ver. 1.3.1）。
三、研究结果
3.1 Big Turkey Lake细胞相关病毒组成与丰度
研究共获得2.8–4.54 M原始reads，2019年7月样本因覆盖度和测序深度过低被排除。约81%的病毒contigs可通过geNomad分类，其余约19%无法分类，代表潜在新病毒序列。BTL中鉴定出两大类病毒：Caudoviricetes（噬菌体）和Megaviricetes（核质大DNA病毒，NCLDVs）。Caudoviricetes相对丰度（RA）最高，占所有病毒contigs的71.8%，存在于所有样本中。Megaviricetes RA较低（9.1%），但同样存在于所有样本。Megaviricetes的RA在2019年6月和8月最高（分别为27.7%和22.6%），在2019年5月和2020年1月较低（分别为2.0%和2.1%）。Caudoviricetes呈现相反趋势。由于2023年噬菌体家族Myoviridae、Siphoviridae和Podoviridae的废除，大多数Caudoviricetes序列无法进一步分类。Megaviricetes中主要家族为Phycodnaviridae和Mimiviridae，在6月和8月RA较高，冬季下降。此外，检测到两个Virophaviricetes类virophage特征序列。稀有度分析表明测序深度足以覆盖细胞相关病毒多样性。
3.2 噬菌体群落的宿主鉴定
通过iPHoP pipeline对799个病毒contigs进行宿主预测，19.5%获得宿主预测，多数置信度评分为90–96%。Bacteriodota门宿主在所有季节样本中均有预测，与BTL中该门的存在一致。Cyanobacteriota门宿主在所有样本中除2020年1月外均有预测，与冰封月份蓝藻近乎完全缺失的发现一致。Pseudomonadota门宿主同样除1月外均有预测，1月缺失的原因可能是iPHoP未能预测该样本病毒contigs的宿主，或冬季Pseudomonadota免受病毒捕食。Verrucomicrobiota门宿主在2019年8月和2020年1月占主导（分别为40%和60%），但在5月和6月未被分配为病毒宿主。属水平上，2018年7月样本中的一些病毒contigs被预测感染Cyanobium、Vulcanococcus和Tolypothrix属蓝藻，这是首次报道与这些蓝藻属相关的潜在病毒特征。
3.3 BTL中的辅助代谢基因（AMGs）
共鉴定62个AMG候选，其中44个为潜在AMGs（一侧有病毒特征基因），18个为高置信度AMGs（两侧均有病毒特征基因）。核苷酸代谢相关AMGs最为丰富（共23个），包括鸟嘌呤还原酶（guaC）和核糖核苷二磷酸还原酶（nrdA）等，可增强核酸生物合成。还检测到多个叶酸代谢相关基因，包括胸苷酸合酶（thyX, thyA）和二氢叶酸还原酶（folA），病毒可能通过调节宿主叶酸代谢促进自身复制。能量代谢相关基因包括琥珀酰辅酶A合成酶α亚基（sucD）、光系统II PsbK蛋白（psbK）、氮固定蛋白NifU（iscU/nifU）和铁硫簇插入蛋白（erpA）。psbK的鉴定尤为重要，海洋噬菌体是光系统II基因的常见携带者，对全球光合速率有重要贡献。磷调控和循环相关基因（phoH）存在于所有五个样本中，鉴于BTL为寡营养湖泊且存在磷清除细菌类群，编码磷获取相关基因可为病毒提供进化优势。phoH在所有样本中的普遍存在提示其可作为BTL中噬菌体多样性的标记基因。值得注意的是，参与脂质代谢的高置信度AMG——1,2-二酰甘油β-葡萄糖基转移酶（ugtP）——仅在2020年1月检测到，该基因对膜脂生物合成重要，与细菌适应低温时增加膜脂和脂肪酸产生的现象相符。
3.4 BTL中的病毒宏基因组组装基因组（vMAGs）
从宏基因组数据中构建了103个病毒bins（代表360个病毒contigs），其中仅6个完整度>90%，符合vMAG候选标准，基因组大小范围为11–45 kbp。所有六个vMAGs均与Caudoviricetes噬菌体比对。其中四个获得宿主门预测：两个为Bacteriodota，一个为Cyanobacteriota，一个为Pseudomonadota。注释发现bin 8和bin 15含有整合酶编码区，提示可能的温和生命周期。bin 2和bin 15分别含有组氨酸和丝氨酸tRNA编码区。bin 17注释包括两个核糖体相关蛋白——核糖体蛋白L18和23S rRNA/tRNA-假尿苷酸合酶。尽管病毒与生命形式之间的分离传统上以缺乏核糖体为定义，但噬菌体已被发现编码核糖体蛋白。
四、讨论与结论
该研究仅聚焦于细胞相关病毒，未包括水柱中“自由生活”病毒或沉积物中病毒。尽管如此，研究提供了对BTL中可能活跃感染微生物宿主的病毒群落的新见解。主要发现包括：（i）病毒群落以Caudoviricetes为主，且存在大量未分类病毒，表明BTL中许多病毒具有独特性；（ii）BTL细胞相关病毒群落具有时间动态性；（iii）即使从少量源自细胞微生物组分的数据中也能组装新的病毒基因组。研究还展示了iPHoP等机器学习工具在预测分类和未分类病毒预期活跃感染宿主方面的能力，首次报道了与Cyanobium、Vulcanococcus和Tolypothrix相关的潜在蓝藻噬菌体关联。最后，研究报道了功能和生态上重要的病毒基因如AMGs，并推测其在BTL中的潜在作用。基于有限数据，难以确定驱动AMG分布或影响季节AMG图谱的具体生态、生物学和理化参数。这些图谱主要受病毒生活方式（裂解性vs溶原性）、栖息地特征和宿主身份驱动，应在未来研究中纳入。该研究首次提供了对TLW病毒生态学的认识，为未来研究病毒在该重要栖息地塑造微生物动态中的作用奠定了基础。
