南极海冰及冰下海水RNA病毒的多样性

《Applied and Environmental Microbiology》：Diversity of Antarctic sea ice and under-ice seawater RNA viruses

　　

海冰对极地生态系统至关重要，是研究极端环境微生物适应性的天然实验室。然而，南极海洋RNA病毒的多样性和生态学尚未得到充分探索。在此，研究人员分析了来自南极海冰和冰相关环境的11个宏转录组，以表征RNA病毒群落及其在海冰和海水之间的生态分化。研究鉴定出多样的RNA病毒谱系，其中Cryppavirales和Picornavirales为优势类群。Lenarviricota在海冰中占主导地位，突显了两个生态系统之间的差异化分布。进化分析显示，海冰相关RNA病毒具有更低的Ka/Ks值，表明与冰下海水相比，其面临更强的纯化选择约束和更保守的进化模式。超过一半的病毒操作分类单元（vOTU）可被分配给宿主，主要是真菌和藻类，这表明病毒在真菌-藻类共生/寄生系统中具有潜在作用。本研究为南极海冰-海水系统中RNA病毒的多样性和独特性提供了新见解。
极地海冰是南极生态系统的重要组成部分，在气候调节中发挥着重要作用，但其病毒群落的多样性和生态作用在很大程度上仍然未知。本研究记录了南极海冰-海水系统中RNA病毒的多样性和复杂性。研究人员探索了南极海冰中RNA病毒的潜在宿主谱系，揭示了这些极端环境中隐秘的RNA病毒群落。这些发现为这些生境中RNA病毒的多样性和生态学提供了重要见解，增强了对极地病毒生态学的理解。

海冰是极地海洋生态系统的重要组成部分，其微生物在极地生物地球化学循环中发挥关键作用。然而，温室效应等气候变化导致南极海冰范围急剧下降，对极地微生物生态系统的稳定性产生深远影响。病毒是海洋中遗传多样性最高的生命形式，能介导基因水平转移并驱动宿主多样性及生物地球化学循环。已有研究表明，海冰中病毒与微生物的比例高于海水，病毒在维持海冰微生物群落稳定性方面可能发挥关键作用。尽管DNA病毒研究较多，但RNA病毒倾向于感染海洋原生生物和其他真核生物。由于极端环境野外条件困难及方法学局限，目前对海冰等极端环境中海洋RNA病毒的理解仍具挑战性，对RNA病毒在海冰和冰下海水中的动态缺乏清晰认识，因此开展此项研究以填补相关空白。

研究人员对南极罗斯海麦克默多海峡的5个海冰样本和6个冰下海水样本进行了宏转录组学分析，系统表征了RNA病毒群落结构、选择压力及潜在宿主。研究发现海冰中RNA病毒多样性低于冰下海水且进化更保守，超半数病毒的潜在宿主为真菌和藻类。该论文发表在《Applied and Environmental Microbiology》上，为极地病毒生态学提供了新见解，增进了对南极海冰-海水系统中RNA病毒多样性与独特性的理解。

样本队列来源于南极罗斯海麦克默多海峡科恩角地区采集的5份海冰样本和6份冰下海水样本。研究人员主要采用宏转录组学方法进行测序分析。通过隐马尔可夫模型（HMM，一种用于序列同源搜索的统计模型）鉴定RNA依赖性RNA聚合酶（RdRP，RNA病毒复制和转录的关键酶）序列以识别病毒。利用平均核苷酸同一性（ANI）和比对分数（AF）值划分病毒操作分类单元（vOTU，用于定义病毒分类群落的操作单元）。结合VITAP和geNomad等工具进行分类注释。通过构建基于RdRP的最大似然系统发育树评估进化关系。利用ESMFold预测RdRP三维结构并构建相似性网络。综合比较细菌和古菌CRISPR间隔区序列、已知宿主信息、内源性病毒元件（EVE，整合到宿主基因组中的病毒序列）相似性以及RNAVirHost机器学习工具进行宿主预测。

Antarctic sea ice database
研究人员通过宏转录组测序及组装，在质量控制后检测到441个RNA病毒contigs，将其归类为180个vOTUs，其中海冰样本提供了半数vOTUs。稀疏曲线分析表明病毒多样性的采样覆盖度充足。

Community structure of ICE and SW RNA viruses
通过计算每百万映射读数每千碱基读数（RPKM）丰度并使用香农威纳指数分析发现，海冰与冰下海水样本的群落多样性存在显著差异，海冰群落的物种丰富度低于冰下海水。基于相对丰度的非度量多维尺度分析（NMDS）表明海冰组群落组成相似度更高。门水平注释显示，Lenarviricota在海冰和冰下海水中均占主导地位，正义单链RNA（+ssRNA）病毒最为丰富。

Understanding the selection pressure on RNA viruses
研究人员通过计算非同义至同义突变的比率（Ka/Ks）评估不同环境下的选择压力。结果显示大多数RNA病毒的Ka/Ks值低于1，表明南极海冰及冰下海水中的RNA病毒普遍受纯化选择。其中，海冰相关RNA病毒的Ka/Ks比率显著低于冰下海水病毒，表明其在海冰环境中面临更强的纯化约束，进化模式更保守。同时，海冰相关序列表现出较高的单核苷酸变异（SNV）位点计数，与低Ka/Ks共存表明这些核苷酸变异多为同义或低频变异。

Divergent Pisuviricota lineages reveal underexplored RNA viral diversity in Antarctic sea ice
基于RdRP标记基因的系统发育分析将序列分为五个分支。其中Pisuviricota可进一步分为Durnavirales、Picornavirales和Patatavirales等子分支。Patatavirales在拓扑上位于Durnavirales和Picornavirales之间。尽管进行了扩展比较，仍有部分序列未能分类，表明存在未被充分表征的谱系。此外，三维结构相似性聚类发现多数主要目级群形成了可识别的结构簇，与系统发育树拓扑一致，表明南极海冰和冰下海水具有跨越多个进化谱系的结构多样的RNA病毒。

RNA viruses in ICE and SW have diverse hosts
研究人员综合运用四种方法进行宿主预测，包括比较CRISPR间隔区、已知Orthornaviran类群信息、与EVE的相似性以及RNAVirHost。结果表明，65%的vOTUs可关联至潜在宿主，主要为真菌、脊索动物和硅藻等光合真核生物。其中，Mitoviridae相关vOTUs主要与真菌关联，而Picornavirales相关vOTUs则与脊索动物和硅藻等多种真核生物关联。这表明南极海冰和冰下海水的优势RNA病毒类群主要与真菌和光合真核生物宿主谱系关联。

总结讨论部分，翻译研究结论
讨论部分指出，极地海冰是地球上最极端的环境之一，孕育了适应极寒和高盐的微生物群落。全球变暖导致海冰消融，影响冰中和冰下海水的微生物群落结构。研究发现，海冰中RNA病毒多样性显著低于冰下海水，这可能是由于海冰形成过程中的选择性压力导致部分RNA病毒无法存活，使海冰群落更为简单，进而导致其进化更为保守。在春季浮游植物水华早期阶段，以真菌和藻类为自然宿主的RNA病毒丰度较高，表明RNA病毒与浮游植物密切相关并存在相互作用。研究结论部分总结道，基于宏转录组学，研究人员系统表征了南极海冰和冰下海水的RNA病毒群落。真菌和藻类构成了这些RNA病毒的主要潜在宿主。系统发育和结构相似性分析发现了多样的未被充分表征的RNA病毒谱系，表明南极海冰及冰相关环境含有尚未被探索的RNA病毒多样性。海冰中RNA病毒多样性的显著降低表明，栖息地相关的环境过滤和不同的进化约束可能塑造了这些环境中的RNA病毒群落结构。该研究为南极海冰隐秘的RNA病毒群落提供了新见解，突出了其在极地微生物生态系统中的潜在生态相关性。