Research | 病毒是驱动海洋浮游细菌日周期规律的重要因子—厦门大学张锐教授和焦念志院士团队新发现

来源：“Research科学研究”微信公众号

厦门大学张锐教授和焦念志院士团队发现病毒-宿主相互作用在近海和开阔大洋生境中具有不同的日周期规律变化，揭示了病毒是驱动海洋浮游细菌日周期规律变化的重要因子，相关成果以“Virus–Host Interactions Drive Contrasting Bacterial Diel Dynamics in the Ocean”为题发表在Research上。

Citation：

Chen X, Hu C, Wei W, Yang Y, Weinbauer MG, Li H, Ren S, Ma R, Huang Y, Luo T, et al. Virus–Host Interactions Drive Contrasting Bacterial Diel Dynamics in the Ocean. Research2023;6:Article 0213.

https://doi.org/10.34133/research.0213

研究背景

日周期是海洋生态系统最常见的周期性规律之一。长久以来，海洋中浮游细菌的日周期规律变化通常被认为是受到细菌光依赖生理机制或其与光合生物相互作用等因素的影响。然而，病毒在海洋浮游细菌日周期规律变化中的重要作用一直被忽视。作为海洋中丰度最高、多样性最大、动态变化最为剧烈的生命粒子，病毒通过侵染宿主细菌进而调控全球生物地球化学循环过程，是海洋生态系统中不可或缺的重要组成成分。此前，已有研究发现病毒的活动具有特定的日周期变化规律。例如，光合蓝细菌的病毒在白天更具有侵染活性，而在夜间则趋于“休眠”。遗憾的是，目前关于自然海洋环境中病毒是如何影响浮游细菌的日周期变化仍知之甚少，极大地阻碍了我们对海洋生态系统的准确认识。

研究进展

张锐教授和焦念志院士团队通过在近海和外海的不同水层采集一个完整日周期的现场样品，分析病毒的丰度、生产、降解和侵染策略同浮游细菌的丰度、代谢活性、群落结构和多样性之间的相互联系，进而探究病毒-宿主相互作用的日周期变化模式。研究结果表明病毒-宿主相互作用在不同生态系统、不同水层具有不一样的日周期变化规律。病毒在近海和外海的表层海水中都呈现出白天低生产力、高降解率，晚上高生产力、低降解率的“夜产”模式，而在叶绿素最大层、真光层底部和无光层的变化规律各不相同（如图1）。并且发现，在日周期时间尺度上，病毒的裂解效应是抑制细菌代谢活性的重要因子。

图1 细菌生产力（BP）、病毒降解率（VD）、裂解性病毒生产力（Lytic VP）和溶原性病毒生产力（Lysogenic VP）在近海站位（J4）和外海站位（SEATS）不同水层中的日周期变化

研究进一步发现了不同生境的浮游细菌群落的日周期变化受到不同病毒侵染策略的显著影响（图2）。在近海，浮游细菌群落多样性跟溶原性病毒生产力呈显著负相关关系，说明更多的病毒溶原性侵染会导致宿主细菌群落多样性的降低，这个发现为新提出的“借助胜利者（Piggyback-the-winner）”理论提供了有力证据。而在外海，浮游细菌群落多样性跟裂解性病毒生产力呈显著正相关关系，说明更多的病毒裂解性侵染会导致宿主细菌群落多样性的升高，这同经典的“杀死胜利者（Kill-the-winner）”模式相一致。这说明了病毒的侵染是推动海洋浮游细菌群落日周期动态变化的重要因子。同时，本研究表明经典的“杀死胜利者”理论和“借助胜利者”理论并不是相悖的，而是互为补充、共同作用的病毒生态策略，揭示了病毒-宿主相互作用在不同的生态环境中具有不一样的模式。

图2 日周期时间尺度上，裂解性病毒生产力（Lytic VP）、溶原性病毒生产力（Lysogenic VP）同浮游细菌群落多样性（Shannon diversity）在近海站位（J4）和外海站位（SEATS）不同水层中的线性拟合关系。图中只显示具有显著性的相关关系。

图3 不同生态环境中病毒-宿主相互作用的日周期规律示意图

未来展望

这项研究揭示的病毒-宿主相互作用的日周期模式（图3）为探索病毒在海洋生物地球化学循环中的贡献提供了新视角，暗示了病毒不同侵染策略的选择不仅能够调控宿主群落结构，更能通过影响溶解有机物的存量进而影响海洋碳循环和全球气候变化。将来的研究有必要在不同的生态环境、不同的时间尺度上深入探索海洋裂解性和溶原性病毒-宿主相互作用过程及其生态重要性。

作者简介

张锐，厦门大学教授，国家科技创新领军人才、国家自然科学基金“优秀青年科学基金”获得者。从事海洋病毒生态学研究，已在Nature Reviews Microbiology、Annual Review of Marine Science、Nature Communications、Science Bulletin、The ISME Journal、Water Research、Geology等权威期刊发表论文180余篇。担任Science China Earth Sciences编委。联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）第五次评估报告贡献作者（Contributing Author）和第四次气候变化国家评估报告作者；PICES-ICES气候变化与海洋碳泵（CC-BOCS）联合工作组成员（2015-2018）；PICES-ICES海洋负排放（ONCE）联合工作组成员（2020-）；多次参加国际大洋钻探发现计划（IODP）、欧盟“欧洲海洋酸化计划（EPOCA）”、欧盟Horizon 2020（FACE-IT）等国际研究计划。

焦念志，中国科学院院士、发展中国家科学院院士、美国微生物科学院院士。现任厦门大学讲席教授，国际海洋探索理事会（ICES）、北太平洋海洋科学组织（PICES）“海洋负排放”联合国际专家组主席、联合国“Global-ONCE”国际大科学计划首席科学家。从事生态过程及资源环境效应研究，发表Science、Nature系列、PNAS文章10余篇、一流学术刊物文章300余篇，被引用万余次，持续入选ESI高被引作者。他提出的海洋储碳新机制——“微型生物碳泵（MCP）”理论，单篇引用千余次。Science评论MCP为“巨大碳库的隐形推手”、并为MCP出版了Science增刊。MCP理论及应用被纳入联合国政府间气候变化专门委员会IPCC特别报告、联合国教科文组织、政府间海洋学委员会IOC-R报告。两次获国家自然科学二等奖（均为第一位）、以及“何梁何利科学与技术进步奖”、“首届全国创新争先奖”等。