病毒-宿主相互作用对热喀斯特湖原核生物群落的影响

作者及机构
本研究的通讯作者为Yuanhe Yang（中国科学院植物研究所植被与环境变化国家重点实验室），合作作者包括Luyao Kang、Yutong Song等来自中国科学院植物研究所、中国国家植物园、中国科学院大学、中山大学生命科学学院、深圳大学医学院等机构的研究人员。论文于2025年3月发表在Science Bulletin（第70卷，2241–2245页）。

学术背景
病毒是地球上最丰富的生物实体之一，通过感染宿主调控微生物代谢与进化，进而影响生物地球化学循环。病毒与宿主的相互作用模式主要分为两类：裂解性（virulent）和溶原性（temperate）。裂解性病毒通过裂解宿主快速增殖，而溶原性病毒可长期与宿主共存，直至外界条件触发裂解。这两种模式通过病毒编码的辅助代谢基因（AMGs, auxiliary metabolic genes）重塑宿主代谢，但大尺度地理环境下病毒-宿主相互作用模式的驱动因素及其对微生物群落功能的影响尚不明确。

本研究以青藏高原1100公里范围内的60个热喀斯特湖沉积物为对象，结合宏基因组测序，探究环境化学计量（C:N:P）、微生物生长速率与病毒-宿主相互作用模式的关系，并揭示其对微生物互作网络及生态系统功能（如碳、氮、磷循环及甲烷通量）的影响。

研究流程与方法
1. 样本采集与测序
- 研究对象：60个热喀斯特湖的沉积物样本，覆盖青藏高原不同营养梯度区域。
- 宏基因组测序：共获得4161个病毒基因组和1880个微生物基因组，通过生物信息学分析鉴定1057个溶原性病毒和887个裂解性病毒（高置信度）。

1. 病毒-宿主相互作用模式量化

   • 使用裂解性与溶原性病毒丰度比值（V/T ratio）表征群落水平的相互作用模式。
     
   • 关键驱动因素分析：通过方差分解（variance partitioning）评估环境因子（如C:N:P化学计量、pH）与生物因子（如微生物最大生长速率，MGR）对V/T ratio的影响。
     

2. 互作网络与功能分析

   • 网络结构：构建病毒-宿主二分网络，计算模块性（modularity）、嵌套性（nestedness）及宿主/病毒范围（host/viral range）。
     
   • 功能关联：通过Fisher精确检验和偏最小二乘回归（PLSR）分析病毒生活方式与微生物代谢功能（如甲烷代谢、磷矿化）的关系。
     

主要结果
1. 驱动因素
- 微生物生长速率（MGR）和沉积物C:N:P化学计量是V/T ratio的主要驱动因子（贡献率分别为17.6%和12.9%）。
- 裂解性病毒偏好感染快速生长的宿主（MGR更高），而溶原性病毒与慢速生长宿主共存（图1c-d）。低C:N:P环境促进裂解性病毒主导的互作模式，因其需掠夺更多N、P资源以维持增殖。

1. 互作网络分化

   • 高V/T ratio下，病毒-宿主网络呈现低模块性、高嵌套性，宿主范围扩大，专一性降低（图2c-g）。裂解性病毒通过“杀赢家”（Kill-the-Winner）机制维持群落多样性，促进广宿主型病毒（generalists）的演化。
     

2. 群落功能差异

   • 裂解性病毒主导：富集氮磷代谢功能（如异化硝酸盐还原为铵DNRA、有机磷矿化）。
     
   • 溶原性病毒主导：调控甲烷循环，其感染的产甲烷菌和甲烷氧化菌显著影响热喀斯特湖CH4通量（PLSR模型预测力CV-R²=0.55，图2j-k）。
     

结论与意义
1. 科学价值
- 首次揭示环境化学计量与微生物生长速率共同驱动病毒-宿主互作模式的转变，并阐明其对生态系统功能的级联效应。
- 为病毒在碳氮磷循环及温室气体排放中的作用提供分子层面的机制解释。

1. 应用前景
   
   • 随着气候变暖导致永久冻土融化，热喀斯特湖营养输入增加可能加剧裂解性病毒对微生物群落的调控，进而改变温室气体排放模式（如减少甲烷氧化菌，增加氢营养型产甲烷菌）。
     

研究亮点
1. 创新方法：结合宏基因组与大尺度地理采样，量化病毒生活史策略的生态驱动因素。
2. 理论突破：验证“生长速率假说”在病毒-宿主互作中的适用性，提出“化学计量-生长速率-病毒策略”耦合模型。
3. 跨尺度关联：从分子（AMGs）到生态系统（CH4通量）的多层级分析，揭示病毒对生物地球化学循环的深远影响。

补充说明
- 数据公开性：所有宏基因组数据存储于中国国家生物信息中心（CRA018442），病毒序列发布于FigShare（DOI:10.6084/m9.figshare.28524587）。
- 研究局限：未涵盖病毒-真核宿主的相互作用，未来需结合多组学进一步拓展。