自从19世纪末期欧洲科学家发现第一种病毒（烟草花叶病毒，tobacco mosaic virus）以来，病毒、宿主和环境三者之间的相互关系一直吸引着大量的科学家不断探索（图1）。但是病毒的纯培养较为困难，同时其基因组具有斑块化的特征，限制了我们对于自然环境中病毒多样性的理解。近年来随着组学技术的进一步发展，病毒生态学方面的研究开始逐渐兴起。近二十年来，科学家利用宏基因组学和宏病毒组学等技术，结合生态学、生物地球化学以及基因组学等多学科理论和方法，系统地揭示了不同生境中病毒，特别是噬菌体的多样性、群落组成及其生态功能。然而与原核微生物相比，目前对于病毒生物地理学的研究只有少数几篇文章，且大多集中于海洋环境，因此需要进一步探究自然环境中病毒群落的分布模式及其生物和非生物驱动因子。
图1. 病毒-宿主-环境的相互作用关系
近日，中山大学黄立南教授课题组利用大规模宏基因组数据，探究酸性矿山废水（acid mine drainage, AMD）底泥环境中病毒物种和功能的生物地理分布及其对原核微生物群落、理化因子、气候条件以及地理距离的响应，促进了对于自然环境中病毒-宿主-环境三者间相互作用关系的理解。
该研究发现AMD底泥中病毒物种和功能的丰富度呈现纬度梯度变化特征，即随纬度增加，病毒物种和功能的丰富度逐渐降低，这一模式与其它生命类群具有一致性。而对于病毒的丰度而言，最主要的环境驱动因子是三价铁含量，这可能与病毒可以利用细胞膜表面的三价铁受体侵染其宿主以及矿物对于病毒颗粒的吸附等因素有关。此外，研究结果还表明病毒群落的物种和功能结构具有距离衰减效应，且衰减速率具有尺度依赖性。病毒的群落结构主要受到原核微生物的直接驱动，同时受到纬度、年均温以及pH等非生物因子的间接驱动（图2）。另外，分析发现由于不同宿主类群其病毒/宿主丰度比具有较大差异，导致底泥中病毒的总丰度与原核微生物总丰度之间并不会呈现线性的共变化，反而是一种非线性的多项式关系（图3）。而对病毒与宿主的相互作用结构进行分析，发现病毒或原核的多样性增加会导致二者之间的相互作用从专一性转向广谱性。最后，该研究还在AMD底泥中发现了大量的与磷的同化有关的辅助代谢基因，表明病毒在AMD环境中可能参与了磷的生物地球化学循环过程。
图2. 结构方程模型揭示生物和非生物因子对于AMD底泥病毒群落的影响
图3. AMD底泥中病毒与宿主丰度的变化关系
综上所述，黄立南教授团队利用大规模宏基因组数据，结合病毒生态学和生物地理学分析，揭示了AMD底泥环境中病毒群落的多样性、丰度、群落结构、病毒-宿主相互作用结构以及辅助代谢基因等对于生物因子和非生物因子的响应规律，拓展了对于病毒这一特殊的生命类群在自然环境中分布模式的理解。该研究成果“Patterns and ecological drivers of viral communities in acid mine drainage sediments across Southern China”近日发表在Nature Communications学术期刊上，团队也受到杂志编辑的邀请撰写Behind the paper post。
中山大学生命科学学院高少明博士后为论文第一作者，黄立南教授为论文通讯作者，中山大学生命科学学院为该工作的第一完成单位，上述研究得到了国家自然科学基金和广东省自然科学基金的资助。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-30049-5
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