自從19世紀末期歐洲科學家發現第一種病毒（煙草花葉病毒，tobacco mosaic virus）以來，病毒、宿主和環境三者之間的相互關系一直吸引著大量的科學家不斷探索（圖1）。但是病毒的純培養較為困難，同時其基因組具有斑塊化的特征，限制了我們對于自然環境中病毒多樣性的理解。近年來隨著組學技術的進一步發展，病毒生態學方面的研究開始逐漸興起。近二十年來，科學家利用宏基因組學和宏病毒組學等技術，結合生態學、生物地球化學以及基因組學等多學科理論和方法，系統地揭示了不同生境中病毒，特別是噬菌體的多樣性、群落組成及其生態功能。然而與原核微生物相比，目前對于病毒生物地理學的研究只有少數幾篇文章，且大多集中于海洋環境，因此需要進一步探究自然環境中病毒群落的分布模式及其生物和非生物驅動因子。
圖1. 病毒-宿主-環境的相互作用關系
近日，中山大學黃立南教授課題組利用大規模宏基因組數據，探究酸性礦山廢水（acid mine drainage, AMD）底泥環境中病毒物種和功能的生物地理分布及其對原核微生物群落、理化因子、氣候條件以及地理距離的響應，促進了對于自然環境中病毒-宿主-環境三者間相互作用關系的理解。
該研究發現AMD底泥中病毒物種和功能的豐富度呈現緯度梯度變化特征，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群具有一致性。而對于病毒的豐度而言，最主要的環境驅動因子是三價鐵含量，這可能與病毒可以利用細胞膜表面的三價鐵受體侵染其宿主以及礦物對于病毒顆粒的吸附等因素有關。此外，研究結果還表明病毒群落的物種和功能結構具有距離衰減效應，且衰減速率具有尺度依賴性。病毒的群落結構主要受到原核微生物的直接驅動，同時受到緯度、年均溫以及pH等非生物因子的間接驅動（圖2）。另外，分析發現由于不同宿主類群其病毒/宿主豐度比具有較大差異，導致底泥中病毒的總豐度與原核微生物總豐度之間并不會呈現線性的共變化，反而是一種非線性的多項式關系（圖3）。而對病毒與宿主的相互作用結構進行分析，發現病毒或原核的多樣性增加會導致二者之間的相互作用從專一性轉向廣譜性。最后，該研究還在AMD底泥中發現了大量的與磷的同化有關的輔助代謝基因，表明病毒在AMD環境中可能參與了磷的生物地球化學循環過程。
圖2. 結構方程模型揭示生物和非生物因子對于AMD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系
綜上所述，黃立南教授團隊利用大規模宏基因組數據，結合病毒生態學和生物地理學分析，揭示了AMD底泥環境中病毒群落的多樣性、豐度、群落結構、病毒-宿主相互作用結構以及輔助代謝基因等對于生物因子和非生物因子的響應規律，拓展了對于病毒這一特殊的生命類群在自然環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”近日發表在Nature Communications學術期刊上，團隊也受到雜志編輯的邀請撰寫Behind the paper post。
中山大學生命科學學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，中山大學生命科學學院為該工作的第一完成單位，上述研究得到了國家自然科學基金和廣東省自然科學基金的資助。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-30049-5
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