《Environmental Microbiology Reports》：Diversity, Function and Activity of DNA Viruses in the Qiangyong Proglacial Lake Sediment, the Tibetan Plateau
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本文系統(tǒng)揭示了青藏高原強(qiáng)冰前湖沉積物中DNA病毒群落的高多樣性（4039個(gè)vOTUs）及其對(duì)微生物宿主代謝和生物地球化學(xué)循環(huán)的潛在調(diào)控作用。研究通過(guò)宏基因組/宏轉(zhuǎn)錄組分析，發(fā)現(xiàn)76.6%的病毒未被分類，鑒定出835個(gè)輔助代謝基因（AMGs），其中63個(gè)為新型功能基因，并首次報(bào)道病毒編碼的氧化亞氮還原酶（NosZ）。病毒通過(guò)裂解宿主和攜帶AMGs（如參與嘌呤代謝、TCA循環(huán)的基因）顯著影響碳、氮、硫循環(huán)過(guò)程，為極端水生生態(tài)系統(tǒng)病毒-宿主互作機(jī)制提供了新認(rèn)知。
1 引言
病毒作為地球上最豐富的生物實(shí)體，在調(diào)節(jié)生態(tài)系統(tǒng)過(guò)程和生物地球化學(xué)循環(huán)中發(fā)揮關(guān)鍵作用。前冰湖作為冰凍圈水生系統(tǒng)的重要組成部分，盡管環(huán)境條件極端，仍孕育著多樣的微生物群落。然而，前冰湖沉積物中DNA病毒群落的組成和生態(tài)功能尚不明確。本研究整合宏基因組和宏轉(zhuǎn)錄組方法，揭示了青藏高原強(qiáng)冰前湖沉積物中DNA病毒的多樣性、功能活性及與宿主的相互作用。
2 結(jié)果與討論
2.1 強(qiáng)冰前湖沉積物以新型烈性DNA病毒為主導(dǎo)
研究從強(qiáng)冰前湖沉積物中鑒定出4039個(gè)病毒操作分類單元（vOTUs），其中76.6%在科水平未被分類，表明存在大量未表征病毒譜系。生命周期預(yù)測(cè)顯示82.2%的病毒為烈性類型，可能通過(guò)裂解宿主釋放有機(jī)質(zhì)，維持貧營(yíng)養(yǎng)沉積物中微生物群落的代謝活動(dòng)。病毒分類涵蓋10個(gè)DNA病毒門(mén)，以Uroviricota（89.9%）和Nucleocytoviricota（4.9%）為主，僅23.4%的vOTUs可鑒定到科水平，提示沉積物中病毒具有高度遺傳新穎性。
2.2 強(qiáng)冰前湖沉積物中的病毒-宿主關(guān)聯(lián)
通過(guò)iPHoP預(yù)測(cè)，8.2%的vOTUs與潛在宿主關(guān)聯(lián)，主要宿主為Pseudomonadota、Bacteroidota等細(xì)菌及Thermoproteota等古菌。87%的宿主僅被單一病毒感染，體現(xiàn)病毒窄宿主特異性；但部分宿主（如Pseudomonadota bin320）可被3種Caudoviricetes病毒共同感染，可能促進(jìn)基因交流與宿主適應(yīng)性進(jìn)化。宿主防御系統(tǒng)分析顯示，75.4%的MAGs含有限制修飾系統(tǒng)（RM），29.0%含有CRISPR-Cas系統(tǒng)，而病毒則編碼甲基轉(zhuǎn)移酶（抵抗RM系統(tǒng)）或抗毒素同源物（如MazE）以應(yīng)對(duì)宿主防御。
2.3 環(huán)境因子驅(qū)動(dòng)病毒與宿主群落動(dòng)態(tài)
病毒群落α多樣性與pH、NO3?-N呈正相關(guān)，與NH4+-N負(fù)相關(guān)。距離基于冗余分析（dbRDA）顯示總有機(jī)碳（TOC）顯著影響病毒群落結(jié)構(gòu)。33對(duì)病毒-宿主組合（41.3%）與環(huán)境因子相關(guān)，其中20對(duì)與NH4+-N負(fù)相關(guān)，17對(duì)與NO3?-N正相關(guān)，表明氮源可利用性調(diào)控病毒-宿主互作。
2.4 病毒調(diào)控前冰湖沉積物生物地球化學(xué)循環(huán)
病毒通過(guò)感染關(guān)鍵功能微生物間接影響碳、氮、硫循環(huán)。例如，感染氨氧化古菌（Thermoproteota）的病毒可能調(diào)控硝化啟動(dòng)步驟；攜帶NosZ基因的病毒（vOTU QYJanS9.5_2190828）可能補(bǔ)償宿主反硝化功能。此外，病毒感染產(chǎn)H2菌（如Bacteroidales）及H2依賴型產(chǎn)甲烷菌（Methanomassiliicoccales），暗示病毒對(duì)溫室氣體排放的潛在影響。
2.5 輔助代謝基因（AMGs）的功能
共鑒定835個(gè)AMGs，涉及59條代謝通路，以核苷酸代謝（25.6%）、輔因子維生素合成（24.0%）為主。發(fā)現(xiàn)63個(gè)新型AMGs，包括淀粉酶（amy）、β-葡萄糖苷酶（bglX）及TCA循環(huán)相關(guān)2-酮戊二酸鐵氧還蛋白氧化還原酶（korA等）。結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)與轉(zhuǎn)錄活性驗(yàn)證支持其功能，如amy和bglX可能增強(qiáng)宿主多糖降解能力。病毒編碼的NosZ為首次報(bào)道，拓展了病毒在氮循環(huán)中的角色。部分AMGs（如核糖體蛋白基因）與宿主基因同源性達(dá)100%，可能優(yōu)化病毒復(fù)制效率；而aceA（異檸檬酸裂合酶）等基因可能通過(guò)水平轉(zhuǎn)移引入新功能。
3 結(jié)論
本研究系統(tǒng)刻畫(huà)了前冰湖沉積物DNA病毒的高多樣性及其通過(guò)裂解宿主、攜帶AMGs調(diào)控微生物代謝網(wǎng)絡(luò)的潛力，為理解極端水生生態(tài)系統(tǒng)病毒生態(tài)功能提供了新視角。
4 方法
沉積物樣本采集自青藏高原強(qiáng)冰前湖，通過(guò)宏基因組/宏轉(zhuǎn)錄組測(cè)序、病毒contig鑒定（geNomad、Virsorter2等工具）、病毒-宿主關(guān)聯(lián)預(yù)測(cè)（iPHoP）、AMGs注釋（DRAM-v流程）及轉(zhuǎn)錄活性分析（TPM計(jì)算）揭示病毒群落特征與生態(tài)功能。
