元素故事系列2：缺氧海洋中潜在的病毒介导氮循环 - 海洋地球化学循环

发表期刊：The ISME Journal（IF=10.302）

发表时间：2020

样本类型：水体

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DOI:/10.1038/s41396-020-00825-6

研究背景

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病毒在海洋生态系统和生物地球化学中发挥着重要的作用。例如，裂解病毒可以针对微生物释放碳素，为微生物食物网提供食物来源（病毒分流），并对微生物群落组成产生直接影响。此外，编码辅助代谢基因（AMG）的病毒可以操纵它们的宿主，影响微生物的代谢和过程，如碳、氮、硫和铁循环。这些生物地球化学途径通常与环境条件密切相关，如水生生态系统中的氧跃层或化学跃层。

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实验设计

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本研究在东热带南太平洋（ETSP）海洋氧最低区（OMZs）水域的六个深度剖面中，从跨越有氧到缺氧水域的22个样本中对总共29个病毒的宏基因组进行了测序（图1），研究结果评估了OMZ病毒是否可能通过AMG影响氮（N）循环。

图1 研究区域概况和采样站的垂直特征。A 秘鲁海岸的ETSP最低氧区（OMZ）中7、8、14、16、17和18站点的位置。B 每个观测站的氧气（蓝色实线）和荧光/叶绿素（暗色和浅色的绿色实线）深度剖面

主要结果

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1. ETSP样本宏病毒组数据分布及N相关AMGs

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结果表明，29个宏基因组一共测序生成210 Gb数据，每个病毒组平均reads约49 M，并产生61,700个非冗余的长度大于5 kb scaffolds。其中，46,127个（75%）被鉴定为病毒，3,589个（6%）被鉴定为微生物，而其余11,984个scaffolds（19%）不能被明确鉴定（图2）。结果分析揭示了六种AMGs——focA、nirA、nirK、norB、amoC和glnK，其中由glnK编码的氮调节PII基因和由amoC编码的氨单氧酶是早前就被发现的两种AMGs。

图2 测序深度和获取的reads

（1）铁氧化还原蛋白-亚硝酸还原酶和亚硝酸盐转运体

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六个N循环AMGs中的第一个和第二个AMG包括一个亚硝酸盐转运蛋白基因（focA）和一个铁氧化还原蛋白-亚硝酸还原酶基因（nirA）。两个基因共定位在包含20个基因的病毒scaffold St14_omz_1401E（11,826bp）上，其中15个是病毒相关基因，两个预测NtcA结合位点，一个启动子，一个focA基因，一个未知基因和一个nirA基因，没有预测到终止子（图3A）。系统发育树分析表明，病毒FocA和NirA与原绿球菌和聚球藻属的物种最为相似，同源性分别为86%和67%（图3B），表明这两个AMG来源于这些宿主，并可能在感染过程中发挥有利作用，因为它们可以减少宿主争夺有限的硝酸盐和氨的需求。

图3 病毒focA和nirA的基因组背景、多样性和蛋白质结构。A 编码nirA和focA的scaffold的遗传图谱及其与蓝藻和噬藻体参考基因组的比对。B 在ETSP和蓝藻序列中发现的病毒FocA或NirA的氨基酸比对得出的最大似然树。本研究中发现的病毒性AMGs的分支用粗线突出显示。C 病毒FocA的四级结构和病毒NirA的三级结构

（2）亚硝酸盐还原酶和氧化氮还原酶

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六个N循环AMGs中的第三个和第四个AMG包括一个含铜的亚硝酸还原酶基因nirK和一个氧化氮还原酶基因norB。病毒NirK蛋白与来自Clade I的微生物NirK聚集在一起，与Gamma变形菌纲最为相关（67-70%相似性），而NorB与酸杆菌门（57-62%相似性）、Magnetovibrio blakemorei（62%相似性）和Gamma变形菌纲HdN1（59.3% 相似性）最为相关（图4B）。在功能上，两种AMGs都是可能对病毒有益的反硝化基因，NirK蛋白将亚硝酸盐还原为一氧化氮，而NorB将一氧化氮还原为一氧化二氮，或一氧化氮还原为氮和氧。

图4 病毒norB和nirK的基因组背景、多样性和蛋白质结构。A 编码norB和nirK的scaffold的遗传图谱。B 在ETSP和参考微生物序列中发现的病毒NorB或NirK的氨基酸比对得出的最大似然树。C 病毒NorB和病毒NirK的三级结构。

（3）氨单加氧酶亚基C基因

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鉴定出的第五个AMG是氨单加氧酶亚基C基因（amoC）。以scaffold St17_oxy_54为代表的含有amoC的细菌病毒长度为144 kb，编码179个基因，两侧有一个启动子和一个终止子（图5A）。在进化上，amoC聚类在亚硝化单胞菌进化枝中（图5B），与来自亚硝化单胞菌的AmoC关系最密切（86%相似性）。在功能上，amoC可以通过获得氨氧化释放的能量来使OMZ病毒受益。

图5 病毒amoC的基因组背景、多样性和蛋白质结构。A 编码类似细菌amoC的病毒scaffold的基因图谱，并与含有该基因的参考微生物基因组进行比对。B 从ETSP和参考微生物序列中发现的类似细菌病毒AmoC的氨基酸比对中得到的最大似然树。C 类似细菌病毒AmoC的三级结构。

（4）GlnK-PII信号转导蛋白

六个与N相关的AMGs中的最后一个是GlnK，这是一种PII信号转导蛋白。本研究在29个宏基因组中共鉴定了三个含有glnK基因和amtB基因的病毒种群（图6A），前两个属于PII-1组（GOV数据工作中发现的glnK亚群的病毒代表），第三个是本研究指定为PII-4的新病毒glnK（图6B）。编码glnK的两个病毒scaffold上游都有一个启动子，铵转运蛋白基因（amtB）下游的一个终止子，以及紧邻amtB下游的孔蛋白基因 (ompL)（图6A）。在功能上，OMZ病毒可以通过调节宿主对氨的吸收而受益于glnK和amtB基因。

图6 病毒glnK的基因组背景、多样性和蛋白质结构 。A 编码glnK的scaffolds的遗传图谱，并与包含该基因的参考微生物基因组进行比对。B 在ETSP和参考微生物序列中发现的病毒GlnK氨基酸比对得出的最大似然树。C 病毒GlnK的三级结构。

2. 病毒编码的N-循环AMGs的生物地球化学和生态学背景

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就N循环中AMGs来说，早先研究已经鉴定出硝化（AmoC）基因和氨调节（GlnK）基因，本次研究增加了编码介导同化亚硝酸盐还原（FocA和NirA）和反硝化（NirK、NorB或NOD-like NorB）基因。这些基因分散在已知的N循环途径中（图7）。

图7 病毒对氮气循环和运输的潜在贡献。该示意图代表了驱动氮循环以及参与的酶和转运蛋白的主要途径。含有病毒的蛋白质用橙色的背景颜色突出显示。

与N循环相关的AMGs在ETSP OMZ不同站点的各个深度区的分布概况如图所示（图8）。含有focA-nirA的病毒种群，几乎存在于每个站点和每个深度，但在来自上层OMZ具有深叶绿素最大值的样本中要更加丰富。其他AMG编码病毒种群在整个数据集中的丰度较低，并且表现出强烈的深度偏好，例如，含有amoC的病毒种群主要分布在地表水和氧跃层水中，这在很大程度上遵循好氧氨氧化剂的分布（图8）。

图8 含N-AMG的病毒种群在ETSP OMZ样本中的分布。气泡图代表了包含focA和nirA基因（A，绿色）、norB和nirK基因（B，红色）、amoC基因（B，黄色）和glnK基因（B，紫色）的病毒种群的相对丰度。

研究结果表明，海洋氧最低区（OMZ）病毒不仅可以通过裂解关键的N循环微生物来影响N循环，而且还通过在感染期间调节不同的N代谢来影响N循环。随着这些N相关病毒AMGs被发现，未来的OMZ病毒工作可以评估病毒细胞影响的氮循环，差异量化病毒在OMZ N循环基因和转录中的生物地球化学影响。

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参考文献

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Potential virus-mediated nitrogen cycling in oxygen-depleted oceanic waters. The ISME Journal, 2021.

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DOI:10.1038/s41396-020-00825-6

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