中大新聞網(wǎng)訊（通訊員高少明）自從19世紀(jì)末期歐洲科學(xué)家發(fā)現(xiàn)第一種病毒（煙草花葉病毒，tobacco mosaic virus）以來(lái)，病毒、宿主和環(huán)境三者之間的相互關(guān)系一直吸引著大量的科學(xué)家不斷探索（圖1）。但是病毒的純培養(yǎng)較為困難，同時(shí)其基因組具有斑塊化的特征，限制了我們對(duì)于自然環(huán)境中病毒多樣性的理解。近年來(lái)隨著組學(xué)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，病毒生態(tài)學(xué)方面的研究開(kāi)始逐漸興起。近二十年來(lái)，科學(xué)家利用宏基因組學(xué)和宏病毒組學(xué)等技術(shù)，結(jié)合生態(tài)學(xué)、生物地球化學(xué)以及基因組學(xué)等多學(xué)科理論和方法，系統(tǒng)地揭示了不同生境中病毒，特別是噬菌體的多樣性、群落組成及其生態(tài)功能。然而與原核微生物相比，目前對(duì)于病毒生物地理學(xué)的研究只有少數(shù)幾篇文章，且大多集中于海洋環(huán)境，因此需要進(jìn)一步探究自然環(huán)境中病毒群落的分布模式及其生物和非生物驅(qū)動(dòng)因子。
圖1. 病毒-宿主-環(huán)境的相互作用關(guān)系
近日，中山大學(xué)黃立南教授課題組利用大規(guī)模宏基因組數(shù)據(jù)，探究酸性礦山廢水（acid mine drainage, AMD）底泥環(huán)境中病毒物種和功能的生物地理分布及其對(duì)原核微生物群落、理化因子、氣候條件以及地理距離的響應(yīng)，促進(jìn)了對(duì)于自然環(huán)境中病毒-宿主-環(huán)境三者間相互作用關(guān)系的理解。
該研究發(fā)現(xiàn)AMD底泥中病毒物種和功能的豐富度呈現(xiàn)緯度梯度變化特征，即隨緯度增加，病毒物種和功能的豐富度逐漸降低，這一模式與其它生命類(lèi)群具有一致性。而對(duì)于病毒的豐度而言，最主要的環(huán)境驅(qū)動(dòng)因子是三價(jià)鐵含量，這可能與病毒可以利用細(xì)胞膜表面的三價(jià)鐵受體侵染其宿主以及礦物對(duì)于病毒顆粒的吸附等因素有關(guān)。此外，研究結(jié)果還表明病毒群落的物種和功能結(jié)構(gòu)具有距離衰減效應(yīng)，且衰減速率具有尺度依賴(lài)性。病毒的群落結(jié)構(gòu)主要受到原核微生物的直接驅(qū)動(dòng)，同時(shí)受到緯度、年均溫以及pH等非生物因子的間接驅(qū)動(dòng)（圖2）。另外，分析發(fā)現(xiàn)由于不同宿主類(lèi)群其病毒/宿主豐度比具有較大差異，導(dǎo)致底泥中病毒的總豐度與原核微生物總豐度之間并不會(huì)呈現(xiàn)線(xiàn)性的共變化，反而是一種非線(xiàn)性的多項(xiàng)式關(guān)系（圖3）。而對(duì)病毒與宿主的相互作用結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)病毒或原核的多樣性增加會(huì)導(dǎo)致二者之間的相互作用從專(zhuān)一性轉(zhuǎn)向廣譜性。最后，該研究還在A(yíng)MD底泥中發(fā)現(xiàn)了大量的與磷的同化有關(guān)的輔助代謝基因，表明病毒在A(yíng)MD環(huán)境中可能參與了磷的生物地球化學(xué)循環(huán)過(guò)程。
圖2. 結(jié)構(gòu)方程模型揭示生物和非生物因子對(duì)于A(yíng)MD底泥病毒群落的影響
圖3. AMD底泥中病毒與宿主豐度的變化關(guān)系
綜上所述，黃立南教授團(tuán)隊(duì)利用大規(guī)模宏基因組數(shù)據(jù)，結(jié)合病毒生態(tài)學(xué)和生物地理學(xué)分析，揭示了AMD底泥環(huán)境中病毒群落的多樣性、豐度、群落結(jié)構(gòu)、病毒-宿主相互作用結(jié)構(gòu)以及輔助代謝基因等對(duì)于生物因子和非生物因子的響應(yīng)規(guī)律，拓展了對(duì)于病毒這一特殊的生命類(lèi)群在自然環(huán)境中分布模式的理解。該研究成果“Patterns and ecological drivers of viral communities in acid mine drainage sediments across Southern China”近日發(fā)表在Nature Communications學(xué)術(shù)期刊上，團(tuán)隊(duì)也受到雜志編輯的邀請(qǐng)撰寫(xiě)B(tài)ehind the paper post。
中山大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院高少明博士后為論文第一作者，黃立南教授為論文通訊作者，中山大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院為該工作的第一完成單位，上述研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金和廣東省自然科學(xué)基金的資助。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-30049-5
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