青藏高原古里雅冰川保存的病毒群落可能与冷暖气候变迁相关——一项跨越4.1万年的生态基因组学研究

作者及发表信息
本研究由美国俄亥俄州立大学Byrd极地与气候研究中心的Zhi-Ping Zhong领衔，联合Olivier Zablocki、Yueh-Fen Li等来自多所机构的学者共同完成，成果发表于2024年9月的《Nature Geoscience》（卷17，页912–919），DOI: 10.1038/s41561-024-01508-z。

学术背景
冰川作为地球气候与生态系统的天然档案库，保存了包括微生物及其病毒在内的生物信息。然而，冰川病毒群落的长期生态动力学、生物地理学特征及其与古气候的关联此前尚未被系统研究。本研究以青藏高原古里雅冰川（海拔6,700米）的冰芯为对象，通过宏基因组技术重建了跨越4.1万年、涵盖三个冷暖气候周期的病毒群落演化历史，旨在揭示病毒对极端环境宿主适应性的影响及其气候关联性。

研究流程与方法
1. 样本采集与预处理
- 冰芯来源：从古里雅冰川309.7米深的冰芯中选取9个时间层（年龄覆盖160年至>41,000年），对应末次冰期（LGS）和全新世的气候冷暖交替阶段（图1b）。
- 洁净处理：采用超低温（-34°C）保存和紫外消毒程序，避免现代污染。通过表面削切和内部冰层取样分离古微生物与病毒。

1. DNA提取与测序

   • 低生物量优化：使用100 kDa超滤浓缩病毒颗粒，结合珠磨破碎法（0.1 mm玻璃珠）提高DNA提取效率。
     
   • 测序策略：Illumina NovaSeq平台进行双端150 bp测序，平均测序深度较前期研究提高2.5倍。
     

2. 病毒基因组重建

   • 组装流程优化：测试18种宏基因组组装流程（如SPAdes、MEGAHIT），最终选择单细胞模式结合k-mer（21,33,55,77,99,127）策略，提升短片段病毒contig的组装效果（扩展数据图1）。
     
   • 病毒鉴定：通过VirSorter、DeepVirFinder和MARVEL联合分析，筛选长度≥5 kb的病毒contig，以95%相似度和80%覆盖度聚类为1,705个病毒操作分类单元（vOTUs）。
     

3. 生态与气候关联分析

   • 宿主预测：基于2,358个青藏冰川微生物基因组（MAGs），通过tRNA匹配、CRISPR间隔序列等方法预测病毒-宿主关系。
     
   • 辅助代谢基因（AMGs）注释：使用VIBRANT工具鉴定50个AMGs，并通过CheckV去除宿主污染。
     
   • 生物地理学：将古里雅vOTUs与全球733个非冰川和187个冰川宏基因组比对，评估病毒分布的区域特性。
     

主要结果
1. 病毒群落的气候分异
- 主坐标分析（PCoA）显示，冷暖气候条件下的病毒群落显著差异（p=0.045），尤以约11,500年前（末次冰期向全新世过渡期）的群落最为独特（图2c）。
- 环境因子中，Mg²⁺（维持噬菌体结构）和δ¹⁸O（温度代用指标）对群落的影响最显著（p>0.05，未达统计学显著性）。

1. 病毒-宿主互作的长效压力

   • 67%的vOTUs（1,149个）成功关联宿主，其中黄杆菌属（Flavobacterium）、冷杆菌属（Cryobacterium）和极单胞菌属（Polaromonas）为优势宿主（图3a）。
     
   • 黄杆菌属的病毒/宿主丰度比（VHR）持续高于其他属，表明其长期承受高病毒压力（图3b）。
     

2. AMGs的功能适应性

   • AMGs富集于辅因子/维生素代谢（如钴螯合酶基因cobT）和硫循环（如磷酸腺苷磷酸硫酸还原酶基因cysH）通路（图3c）。
     
   • 系统发育分析显示，cobT可能源自RALSTONIA属微生物的基因水平转移（补充图6a），而cysH受纯化选择驱动（补充数据10-11）。
     

3. 区域生物地理特征

   • 73%的vOTUs（1,242个）为古里雅独有，27%（452个）与青藏高原其他冰川共享，仅%（11个）与非冰川环境（红海上空空气样本）重叠（图4b）。
     

结论与价值
1. 科学意义
- 首次揭示冰川病毒群落在万年尺度上随气候变迁的动态规律，为古气候-生态系统协同演化提供病毒视角。
- 发现病毒通过AMGs（如cobT、cysH）调控宿主代谢，助力宿主适应极端环境，拓展了病毒生态功能的认知。

1. 应用前景
   
   • 病毒群落可作为古气候重建的新指标，尤其在青藏高原等敏感区域。
     
   • 极端环境病毒基因资源（如冷适应AMGs）或具生物技术潜力。
     

研究亮点
- 方法创新：开发低生物量冰川病毒组分析流程，病毒检出量较前提高50倍（1,705 vs. 33 vOTUs）。
- 发现新颖性：97%的病毒为新分类单元，揭示未被描述的病毒多样性。
- 跨学科整合：将古气候学、病毒生态学与生物地理学结合，建立“冰川病毒档案”概念。

其他价值
研究强调冰川病毒作为“消失的生态记录”的紧迫性，呼吁在人类世（Anthropocene）气候变暖加剧前加强冰川生物档案保护。未来需拓展单链DNA/RNA病毒研究及培养实验验证宿主互作假说。