【专家视角】中山大学Nature Communications｜DNA病毒群落通过辅助代谢基因...

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（来源：生态修复网）

系统探讨了病毒在污染土壤中对微生物碳固定能力的促进作用。通过在中国东部58个金属矿区的323份污染土壤和86份非污染土壤样本中进行宏基因组分析，研究团队识别出11类参与碳固定的病毒编码辅助代谢基因（AMGs），并实验验证了其中三种关键AMGs（rbcL、ppdk、TKT）的酶活性。转录组测序和稳定同位素标记实验表明，活性病毒接种可显著上调碳固定基因表达（约73%），并促进¹³C标记有机碳的积累（约10%）。该研究为将病毒贡献纳入土壤碳固定评估提供了理论与实验依据，深化了对病毒在碳循环中作用的理解。

1 科学问题

病毒是否通过编码碳固定相关辅助代谢基因（AMGs）影响宿主微生物的碳固定能力？

尽管已有研究报道病毒携带部分碳相关AMGs，但其在污染土壤中对微生物碳固定的具体作用机制尚不明确。

在碳缺乏的污染土壤中，病毒-宿主相互作用如何调节土壤有机碳（SOC）的积累？

污染常导致土壤碳损失和微生物群落结构改变，病毒是否通过溶原性感染等方式参与碳固定过程亟待验证。

病毒携带的AMGs是否具有功能活性，并能通过水平基因转移（HGT）增强宿主碳固定能力？

包括rbcL、ppdk、TKT在内的关键AMGs是否具有酶活性，及其在病毒-宿主互作中的生态功能尚需实验证实。

2 研究方案

样本采集与处理

于2017年6月至9月期间，在中国东部50个金属矿区（涵盖铁、铜、铅锌矿）采集409份土壤样本（包括323份污染样本和86份非污染样本）。所有样本经去植物残体、过筛（830 μm和150 μm）后，进行理化性质测定和微生物DNA提取。

宏基因组测序与病毒/宿主基因组识别

使用Illumina NovaSeq平台对409份样本进行测序。通过VirSorter（v1.0.5）和VIBRANT（v1.2.1）识别病毒操作分类单元（vOTUs，长度≥5 kb），并从污染土壤中恢复6,904个原核生物宏基因组组装基因组（MAGs，完整性≥70%，污染<10%）。

AMGs鉴定与系统发育分析

基于eggNOG（v5.0.0）、KEGG和Pfam数据库注释病毒ORFs，识别碳固定相关AMGs。通过MAFFT和FastTree构建系统发育树，并使用MetaCHIP预测水平基因转移（HGT）事件。

酶活性验证与基因转移实验

合成并克隆三种关键AMGs（rbcL1、ppdK1、TKT1）至pET28a/pCold TF载体，转染至大肠杆菌BL21（DE3）进行表达与纯化。酶活性通过ELISA测定。使用VCSM13辅助噬菌体将AMGs转导至大肠杆菌XL1-Blue，验证其碳固定功能。

病毒接种与碳固定实验

从大宝山矿区土壤中提取病毒悬浮液，接种至含¹³C标记NaHCO₃的微宇宙系统中。分别设置活性病毒与灭活病毒处理组，测定土壤无机碳（SIC）、土壤有机碳（SOC）、¹³C-SOC和CO₂浓度变化，并通过qRT-PCR检测AMGs表达。

转录组分析

在接种后第0、3、7、14、21天提取土壤总RNA，进行RNA-Seq分析，评估碳固定基因的表达动态和微生物群落结构变化。

3 结论

主要发现

病毒群落具有高多样性与宿主特异性

污染土壤中共识别31,210个vOTUs，其中近70%在科水平上未分类。病毒与宿主（涵盖36个原核门）形成19,293对互作关系，其中Patescibacteria（相对丰度0.75%）的病毒感染范围最高（8.39）。

病毒编码多种碳固定AMGs

共鉴定11类碳固定AMGs，覆盖卡尔文循环（CB）、还原性三羧酸循环（roTCA）、3-羟基丙酸/4-羟基丁酸循环（3-HP/4-HB）等六条途径。其中rbcL和korB基因分别主导CB和roTCA循环。

AMGs具有功能活性并参与HGT

酶活性实验证实rbcL1、ppdK1和TKT1均具有高催化活性。系统发育分析显示这些AMGs与宿主基因存在显著HGT事件，例如korB从Elusimicrobiota转移至Mesyanahinowiridae。

病毒接种显著促进碳固定

活性病毒接种使SIC降低约10%，SOC增加约11%，¹³C-SOC积累提升约10%。碳固定基因表达量上调约73%，且自养细菌（如黄色杆菌科、罗丹杆菌科）丰度显著增加。

研究不足

病毒“暗物质”限制功能注释

超过60%的vOTUs未能注释至科水平，约84%的病毒基因组与公共数据库无重叠，限制了对其分类与功能的全面解析。

AMGs多功能性可能干扰碳固定贡献评估

部分AMGs（如korB、frdA）同时参与谷氨酸合成和富马酸呼吸等代谢途径，其净碳固定效应需进一步量化。

实验环境与自然条件的差异

微宇宙实验虽控制变量良好，但未能完全模拟野外复杂环境，病毒-宿主互作的长期生态效应仍需野外验证。

研究展望

扩展病毒基因组数据库与功能注释

结合单病毒基因组学和培养组学，揭示未注释病毒的分类地位与生态功能。

量化病毒在不同碳循环环节中的贡献

未来研究应整合病毒对碳固定、转化与矿化的综合影响，建立病毒驱动的碳循环模型。

开发病毒辅助的土壤修复技术

利用病毒-宿主互作增强污染土壤碳汇功能，为退化生态系统的生物修复提供新策略。

文章来源：生态环境科学

(生态修复网)