科研| Nature: 海洋病毒对环境基因组和潜在的生物地球化学影响
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海洋病毒对海洋微生物群落的组成和代谢活动有着重要影响。由于病毒取样及培养方面存在的技术问题，基因组水平的病毒多样性的研究十分匮乏，目前为止，只有不到1%的海洋浅表的病毒是已知的。这篇文章中作者组装了从海洋表面和到深海的病毒全基因租和基因组大片段，分析产生了“全球海洋病毒”数据库，展示了海洋病毒的多样性，同时构建了双链DNA病毒的全球图谱。
论文ID
原名：Ecogenomics and potential biogeochemical impacts of globally abundant ocean viruses
译名：全球丰富的海洋病毒的生态基因组学和潜在的生物地球化学影响
期刊：Nature
IF：41.577
发表时间：2016
通信作者：Simon Roux
通信作者单位：俄亥俄州立大学
实验内容
引言
海洋微生物在全球范围内推动生物地球化学循环(Falkowski et al., 2008)。然而，这个循环受病毒的限制，病毒影响微生物的菌落组成、代谢活动及进化轨迹(Rohwer & Thurber 2009)。实验技术和分析技术利用基因组信息促进了病毒群体生态的改善(Mizuno et al., 2013; Roux et al., 2014; Brum & Sullivan 2015; Chow et al., 2015)。对地中海微生物的fosmid文库的1148个病毒基因组大片段分析揭示了显著的病毒多样性，同时一些基因组可能还是全球分布的(Mizuno et al., 2013)。Roux等(2014)发现单细胞样本中组装得到的69个病毒参考基因组进一步阐明了未培养的病毒感染无氧化学自养生物的生态、进化和潜在的生物地球化学影响。Tara海域42个病毒宏基因组数据库（TOV）揭示了这些病毒的群体结构，共发现了5476个病毒群体，其中有39个为新发现群体(Brum et al., 2015)。研究共发现15,222个海洋表层及中深层病毒群落，构成867个定义在属水平的病毒群(Lima-Mendez et al., 2008; Roux et al., 2015)。这大约是一直海洋病毒种群数量的三倍，是候选细菌和古病毒属的2倍(Brum et al., 2015; Roux et al., 2015)。此外，作者发现243个病毒编码的辅助代谢基因，这些基因中只有95个是已知的。深入分析表明，dsrC, soxYZ, P-II (或称glnB)和amoC四个辅助代谢基因甚至可能直接控制海洋上层的硫和氮循环。这篇文章进一步鉴定海洋病毒种群，确定和描述了最丰富和最广泛的dsDNA病毒分类，同时分析了病毒编码的辅助代谢基因（AMGs）及其分布并提出一种新观点-病毒可能调节微生物地球化学。本文通过分析全球海洋病毒基因组数据库(GOV)，增加了来自浅表和深海的61个样品。GOV数据库共包括104个病毒基因组，包括925Gb的数据。
1. 全球海洋病毒基因组数据库（GOV）的组成
共鉴定获得15,280个病毒种群，这是TOV数据库鉴定得到的种群数量的近3倍；同时GOV数据库中的contigs的平均长度也远大于TOV数据库(Fig. 1a)。稀疏性分析显示海洋中层病毒群落仍不足，海洋表面病毒群落取样基本足够。深海群落因细胞污染而不具代表性，作者将分析的重点放在15,222个非深海病毒种群(ED-Fig. 1a)。对15,222个GOV病毒种群进行聚类分析共得到1259个病毒集群（viral clusters，VC）（ED-Fig. 2）。这些病毒集群中，658个是GOV的独有序列，约为已知细菌和古细菌病毒属数量的2倍，其他的209个集群中至少包括一条GOV序列。同样地，稀疏分析表明海洋中层水域的病毒集群的多样性采样不足，而浅表水域的采样基本足够(ED-Fig. 1b)。
Fig. 1 GOV数据库的组成
ED-Fig.1 GOV数据库中病毒种群和集群的累积曲线
ED-Fig. 2 病毒集群的组成及分类
2. 主要海洋病毒集群的特征分析
在867个观测到的病毒集群中只有38个在2个或以上的站点数量丰富，而这38个集群中又有4个十分独特因为这4个集群（VC_2, VC_5, VC_6, VC_8）在超过25个站点数量均较大；同时，在91个非深海样品中有62个是这4个集群中的一个（Fig. 2）。这38个集群中，只有2个是已深入研究的T4超家族（VC_2）和T7病毒属的（VC_9）病毒；然而，这些病毒集群中有8个是已知但未命名的种类，有10个仅从环境测序中获得过，尚有18个集群之前未见报道（Fig. 2c, ED-Fig. 3）。
Fig. 2 主要海洋病毒集群的特征分析
ED-Fig. 3 分布广泛数量丰富的病毒集群（共34个，另外4个见Fig. 2c）的基本信息
3. 主要病毒集群的宿主及分布分析
38个分布广泛数量丰富的病毒集群的宿主主要为浅表性海洋微生物。值得注意的是，本文发现的4个独特的病毒集群的宿主可能是八大世界广布的微生物群中的7个（Actinobacteria, Alpha-, Delta-, and Gammaproteobacteria, Bacteroidetes, Cyanobacteria, Deferribacteres）（Fig. 3c）。八大世界广布的微生物群中的Euryarchaeota不是本文的4个独特的病毒集群的宿主，但可能是VC_3, VC_27和VC_63的宿主。此外，研究发现病毒集群的数量与宿主的全球丰富度相关，而不是其相对丰富度(ED-Fig. 4b); 这就意味着分布广泛且数量多的宿主（如:Cyanobacteria）有较低的多样性也就提供较少的病毒利基，而另一些宿主如：Betaproteobacteria即使丰度稍低但有更多机会提供不同的利基也就导致这些病毒的全球性分布[14]。
ED-Fig. 4 病毒集群的丰富度与宿主丰富度及多样性之间的关系
4. 辅助代谢基因(AMGs)的发掘及分布
本文共发掘到243个假定的AMGs，其中95个是已知的。本文主要关注四个AMGs，即dsrC, soxYZ, P-II and amoC, 因为这四个基因在硫和氮循环中发挥重要作用。海水中的硫氧化主要涉及2个微生物过程，即异化硫还原酶（Dsr）作用和硫化作用[22]。对GOV的AMGs的分析发现海洋表层病毒编码这两个过程中的关键酶。在病毒的contigs中共发现11个dsrC-like基因。Dsr操纵子在硫酸盐/亚硫酸盐还原微生物缺氧的环境下使用，同时也在硫氧化细菌的有氧和无氧环境中使用。DsrC通过其保守的C-端序列将硫呈递给DsrAB亚硫酸盐还原酶进行加工，因而决定硫的代谢速率；同样地，SoxYZ也是一个重要的硫转运体（Fig. 3a）。同时，文章发现这些病毒中含有10个可能操控氮循环的AMGs。P-II广泛分布于细菌和古细菌中并在氮代谢调节中发挥重要作用。P-II-1，P-II-2，P-II-4都有P-II的保守结构，P-II-1，P-II-4与铵转运基因amt靠近，在细菌中这种排列是激活替代氮产物和氨饥饿时氨吸收通路的重要信号（Fig. 3b）。GOV中还包括amoC，该基因在氨氧化中发挥重要作用。
文章中7个AMGs（(dsrC-unc,dsrC-1,dsrC-2,dsrC-4,P-II-2,P-II-3, and amoC）的分布比较局限，而5个广泛分布在浅海（dsrC-3, dsrC-5, soxYZ,P-II-1）或中层海域（P-II-4）（Fig. 3c）。所有的AMGs均分布在中等温度的海域，dsrC-5和soxYZ主要分布在低氮环境，P-II-1主要分布在高氮环境，因此推测，当在低氮的情况下病毒利用DsrC-5或者SoxYZ以提高硫的氧化率，而在高氮条件下利用P-II。
Fig. 3 病毒硫和氮循环相关的AMGs的特征及分布
5. AMGs的起源、进化和多样性
编码dsrC 或soxYZ的contigs均属于独特的T4超家族成员（VC_2）。系统发育分析表明这些病毒可能通过硫氧化蛋白细菌获得AMGs，可能发生在dsrC 或soxYZ的转运事件中。dsrC的基因产物中有一种与Gamma-变形菌(Gammaproteobacteria)密切相关,该细菌广泛分布与海洋表明并可降解二甲基硫化物，这种硫化物可能与海洋到大气的硫转运及云的形成有关。而P-II的形成则可能起源于多种不同病毒，并可能是从Bacteroidetes, Proteobacteria中分别多次获得。amoC 的contigs仅来自于新发现dsDNA病毒VC_63，该病毒可能会感染氨氧化的奇古菌。
实验评论
本文系统的收集和处理了GOV数据库为海洋微生物学提供了重要的资源。文章在种群水平上探究了海洋病毒的多样性，同时还构建了一张全球海洋病毒分布图，为后续研究提供了重要数据和参考。
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参考文献
Falkowski, P. G., Fenchel, T. & Delong, E. F. The microbial engines that drive Earth’s biogeochemical cycles. Science 320, 1034–1039 (2008).
Rohwer, F. & Thurber, R. V. Viruses manipulate the marine environment. Nature. 459, 207–212 (2009).
Brum, J. R. & Sullivan, M. B. Rising to the challenge: accelerated pace of discovery transforms marine virology. Nat. Rev. Microbiol. 13, 147–159 (2015).
Mizuno, C. M., Rodriguez-Valera, F., Kimes, N. E. & Ghai, R. Expanding the marine virosphere using metagenomics. PLoS Genet. 9, e1003987 (2013).
Chow, C.-E. T., Winget, D. M., White, R. A., III, Hallam, S. J. & Suttle, C. A. Combining genomic sequencing methods to explore viral diversity and reveal potential virus-host interactions. Front. Microbiol. 6, 265 (2015).
Roux, S. et al. Ecology and evolution of viruses infecting uncultivated SUP05 bacteria as revealed by single-cell- and meta-genomics. eLife 3, e03125(2014).
Lima-Mendez, G., Van Helden, J., Toussaint, A. & Leplae, R. Reticulate representation of evolutionary and functional relationships between phage genomes. Mol. Biol. Evol. 25, 762–777 (2008).
Roux, S., Hallam, S. J., Woyke, T. & Sullivan, M. B. Viral dark matter and virus-host interactions resolved from publicly available microbial genomes. eLife 4, 1–20 (2015).