海洋所在深海沉積物病毒多樣性和輔助代謝功能方面獲新進(jìn)展
近日,中國(guó)科學(xué)院海洋研究所海洋微生物生命過(guò)程及應(yīng)用潛力研究組在《自然-通訊》期刊(Nature Communications)發(fā)表研究論文,揭示了深海不同冷泉和海山沉積物中病毒和宿主的多樣性,闡明了病毒輔助宿主代謝復(fù)雜有機(jī)質(zhì)的潛力,強(qiáng)調(diào)了病毒在深海碳循環(huán)和微生物群落結(jié)構(gòu)中的重要性,為深入理解深海生態(tài)系統(tǒng)的能量流動(dòng)和物質(zhì)循環(huán)提供了新的視角。
海底環(huán)境極其多樣,從廣袤的、類(lèi)似沙漠的海底泥質(zhì)平原,到聚集了生命奇跡的深?!熬G洲”(如冷泉、熱液、海山和海溝等)。盡管這些獨(dú)特的深海區(qū)域在地質(zhì)特征、形成機(jī)制和物理特征上存在顯著差異,但有一個(gè)關(guān)鍵的共同點(diǎn):它們都是有機(jī)質(zhì)供應(yīng)增加和微生物介導(dǎo)生物地球化學(xué)循環(huán)的重要場(chǎng)所。病毒是生物圈中數(shù)量最多、遺傳多樣的生物實(shí)體,對(duì)微生物群落和生物地球化學(xué)循環(huán)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。在海洋環(huán)境中,病毒豐度估計(jì)為1030,是僅次于原核生物的第二大生物量成分。它們的生態(tài)意義不僅限于宿主裂解,還包括水平基因轉(zhuǎn)移和通過(guò)輔助代謝基因調(diào)節(jié)宿主代謝。這些輔助代謝基因可以編碼關(guān)鍵的代謝酶,在感染期間有效地重塑細(xì)胞過(guò)程,并可能影響生物地球化學(xué)循環(huán)。深入理解深海生態(tài)系統(tǒng)中復(fù)雜有機(jī)物、微生物群落和病毒動(dòng)態(tài)之間的錯(cuò)綜復(fù)雜的相互作用,對(duì)于理解全球碳循環(huán)和更廣泛的深部生物圈的功能至關(guān)重要。
研究團(tuán)隊(duì)選擇了四個(gè)樣品采集點(diǎn),包括正在衰減的冷泉、遠(yuǎn)離正在衰減冷泉的地點(diǎn)、新生冷泉和海山。獲取上述四個(gè)采集點(diǎn)的沉積物后,綜合利用宏基因組學(xué)、DNA和RNA宏病毒組學(xué)、宏轉(zhuǎn)錄組學(xué)等多組學(xué)技術(shù),結(jié)合純化病毒群落的表征,對(duì)不同深海沉積物的病毒群落和功能進(jìn)行了深入研究。深海沉積物的病毒提取和宏病毒組學(xué)分析顯示,深海沉積物中存在著多種多樣的病毒形態(tài)(圖1),包括大量DNA和RNA病毒,且有很大一部分是先前未被描述的病毒譜系。深海RNA病毒群落與DNA病毒群落相比,在宿主偏好和生活方式上表現(xiàn)出顯著差異,尤其在新生冷泉中,RNA病毒的相對(duì)稀少和缺乏溫和性噬菌體預(yù)示著不同的能量流動(dòng)模式(圖2)。雖然Tymoviridae等RNA病毒在深海沉積物中普遍存在,但新生冷泉特有的Xinmoviridae(感染真核生物)的富集,提示深海病毒多樣性研究仍需進(jìn)一步探索其真核宿主的作用(圖3)。病毒基因組和宏轉(zhuǎn)錄組的分析表明,病毒中的功能基因在原位環(huán)境中處于較高表達(dá)水平,這也是其增強(qiáng)宿主代謝復(fù)雜有機(jī)物能力的有力證據(jù)。研究成果強(qiáng)調(diào)了不同冷泉和海山中病毒群落的多樣性、生態(tài)作用和宿主相互作用,表明病毒在深海碳循環(huán)和微生物群落結(jié)構(gòu)中的重要性。

圖1 深海沉積物中病毒形態(tài)多樣性

圖2 深海沉積物中DNA病毒的群落結(jié)構(gòu)及其與宿主的互作

圖3 深海沉積物中RNA病毒的群落結(jié)構(gòu)及其與宿主的互作
中國(guó)科學(xué)院海洋研究所為論文第一完成單位,實(shí)驗(yàn)海洋生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室王崇博士和鄭日寬副研究員為共同第一作者,孫超岷研究員為通訊作者。研究得到了基金委創(chuàng)新群體、山東省自然科學(xué)基金重大基礎(chǔ)研究專(zhuān)項(xiàng)等項(xiàng)目聯(lián)合資助。
論文信息:
Chong Wang#, Rikuan Zheng#, Chaomin Sun*. Deep-sea viral diversity and their role in host metabolism of complex organic matter. Nature Communications, 2025,16: 10134. DOI: 10.1038/s41467-025-65207-y.?
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