稳定同位素探针与宏基因组技术的结合揭示了厌氧消化过程中感染产甲烷古菌的病毒多样性

《Microbiome》：Coupling of stable isotope probing and metagenomics reveals the diversity of viruses infecting formatotrophs during anaerobic digestion process

　　

摘要

背景

病毒在调控微生物群落组成和活性方面发挥着重要作用，然而在厌氧消化（AD）——一种将有机废物转化为沼气的复杂生物技术过程——中，病毒的多样性及其宿主关联性仍缺乏充分表征。在此类复杂群落中将病毒序列与代谢活跃的宿主相关联尤为困难。在此，我们采用了一种将¹³C稳定同位素探针（SIP）与病毒组和微生物组鸟枪测序相结合的综合方法，以鉴定和表征感染批式AD微宇宙中活性甲酸营养功能群的病毒。

结果

以¹³C标记的甲酸作为唯一碳源接种的微宇宙选择性地富集了两个主要的甲酸消耗功能群：氢营养产甲烷古菌（甲烷杆菌目，主要为地下甲烷杆菌）和产乙酸细菌（钠栖科，Andreesenella属）。通过对六个病毒组的交叉组装以及六个¹³C-SIP微生物组分组的组装，我们构建了一个包含2,368个病毒操作分类单元（vOTU）的目录，其中261个被选中进行详细分析。与总病毒组中几乎不存在的情况相比，与产甲烷古菌宿主相关的vOTU在重（¹³C富集）SIP组分中显著富集——这表明DNA-SIP在病毒群落水平上成功解析了活性甲酸营养体的病毒。我们鉴定出两个主要功能群的新型病毒，包括甲烷杆菌目的古菌病毒（厌氧病毒科和一个可能的新科）以及两个携带多样性产生逆转录元件的Andreesenella病毒。一个预测感染丝疣微菌——一种严格乙酸营养产甲烷古菌——的原病毒进一步展示了SIP病毒学捕获跨营养级病毒关联的能力。辅助病毒基因（AVG）分析揭示了众多防御相关基因（dcm、metK、queC）和真正的代谢性AVG候选基因，如cysH（同化硫酸盐还原）以及一个包含uxe、galU和serB的连续基因簇（表面多糖生物合成），这些基因可能影响宿主代谢。

结论

本研究展示了SIP病毒学在解析复杂厌氧群落中病毒-宿主关联方面的强大能力，将病毒多样性直接与代谢活跃的甲酸营养和产甲烷功能群联系起来。鉴定出感染AD关键微生物的新型病毒谱系，结合可能对碳和硫循环产生影响的AVG，为理解病毒在AD过程表现中的功能作用奠定了基础。

视频摘要

背景

病毒在调控微生物群落组成和活性方面发挥着重要作用，然而在厌氧消化（AD）——一种将有机废物转化为沼气的复杂生物技术过程——中，病毒的多样性及其宿主关联性仍缺乏充分表征。在此类复杂群落中将病毒序列与代谢活跃的宿主相关联尤为困难。在此，我们采用了一种将¹³C稳定同位素探针（SIP）与病毒组和微生物组鸟枪测序相结合的综合方法，以鉴定和表征感染批式AD微宇宙中活性甲酸营养功能群的病毒。

结果

以¹³C标记的甲酸作为唯一碳源接种的微宇宙选择性地富集了两个主要的甲酸消耗功能群：氢营养产甲烷古菌（甲烷杆菌目，主要为地下甲烷杆菌）和产乙酸细菌（钠栖科，Andreesenella属）。通过对六个病毒组的交叉组装以及六个¹³C-SIP微生物组分组的组装，我们构建了一个包含2,368个病毒操作分类单元（vOTU）的目录，其中261个被选中进行详细分析。与总病毒组中几乎不存在的情况相比，与产甲烷古菌宿主相关的vOTU在重（¹³C富集）SIP组分中显著富集——这表明DNA-SIP在病毒群落水平上成功解析了活性甲酸营养体的病毒。我们鉴定出两个主要功能群的新型病毒，包括甲烷杆菌目的古菌病毒（厌氧病毒科和一个可能的新科）以及两个携带多样性产生逆转录元件的Andreesenella病毒。一个预测感染丝疣微菌——一种严格乙酸营养产甲烷古菌——的原病毒进一步展示了SIP病毒学捕获跨营养级病毒关联的能力。辅助病毒基因（AVG）分析揭示了众多防御相关基因（dcm、metK、queC）和真正的代谢性AVG候选基因，如cysH（同化硫酸盐还原）以及一个包含uxe、galU和serB的连续基因簇（表面多糖生物合成），这些基因可能影响宿主代谢。

结论

本研究展示了SIP病毒学在解析复杂厌氧群落中病毒-宿主关联方面的强大能力，将病毒多样性直接与代谢活跃的甲酸营养和产甲烷功能群联系起来。鉴定出感染AD关键微生物的新型病毒谱系，结合可能对碳和硫循环产生影响的AVG，为理解病毒在AD过程表现中的功能作用奠定了基础。

视频摘要