極地海洋病毒宏基因組研究進(jìn)展

周莘皓 梁彥韜 Andrew McMinn,2 汪岷

研究進(jìn)展

極地海洋病毒宏基因組研究進(jìn)展

周莘皓1梁彥韜1Andrew McMinn1,2汪岷1

(1中國(guó)海洋大學(xué), 海洋生命學(xué)院, 海洋生物多樣性與進(jìn)化研究所, 極地海洋過(guò)程與全球海洋變化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 深海圈層與地球系統(tǒng)前沿科學(xué)中心, 山東 青島 266003;2塔斯馬尼亞大學(xué)海洋與南極研究所, 澳大利亞 霍巴特 7001)

兩極占據(jù)地球生物圈表面積的14%, 共同組成了地球上獨(dú)特的冰凍生物圈。南極是被南大洋包圍著的巨大大陸, 受南極繞極流所影響。而北極則是由歐、亞、北美三洲大陸包圍著的北冰洋以及大量分散的島嶼所組成。極地海洋生物圈主要包括海水、海冰兩大生態(tài)系統(tǒng), 而海冰是在兩極地區(qū)存在的一個(gè)獨(dú)特的生態(tài)系統(tǒng)。極地的海洋、海冰、冰下湖泊等環(huán)境中包含了大量的未知病毒和作為其主要宿主的微生物群落, 是全球生物地球化學(xué)循環(huán)重要驅(qū)動(dòng)力之一。本文對(duì)近十年來(lái)在南北極海洋環(huán)境中病毒多樣性的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述, 其中大多數(shù)的病毒多樣性是隨著宏基因組學(xué)技術(shù)的進(jìn)步而被人所知的。目前對(duì)極地海洋雙鏈DNA病毒組已有較好的認(rèn)識(shí), 而對(duì)單鏈DNA病毒組和RNA病毒組的認(rèn)識(shí)還非常有限?？傮w來(lái)說(shuō), 對(duì)于極地海洋病毒認(rèn)識(shí)還處在初級(jí)階段, 仍然存在大量未知的科學(xué)問(wèn)題等待我們?nèi)ヌ剿鳌?/p>

極地 海洋 海冰 病毒 多樣性 宏基因組

0 引言

南北兩極儲(chǔ)存著72%以上的地球淡水資源, 具有大量的燃料能源儲(chǔ)備以及豐富的生物多樣性。南北兩極作為全球氣候變化的驅(qū)動(dòng)器, 無(wú)時(shí)無(wú)刻不在影響全球的氣候與環(huán)境, 對(duì)全球的生態(tài)系統(tǒng)有著非常重要的作用[1]。南極洲被南大洋包圍著, 南大洋被強(qiáng)大的南極繞極流所驅(qū)動(dòng), 而北極則被陸地包圍。這兩個(gè)大陸在四千萬(wàn)到二千五百萬(wàn)年前移動(dòng)到地球相反的兩極地區(qū), 造成了如此不同的地形。地磁和重力數(shù)據(jù)表明, 北極在北美大陸和歐亞大陸盆地的驅(qū)動(dòng)下, 從6.1億至1.45億年前演變?yōu)橐粋€(gè)由陸地包圍的冰冷的水冰極地地區(qū)[2-4]。南極洲是由超級(jí)大陸岡瓦納大陸解體而成的, 岡瓦納大陸被南大洋包圍。南極大陸永久性地被冰川覆蓋, 只有0.4%的面積是由散布著湖泊和池塘的裸露陸地組成的[5-6]。

極地環(huán)境包含了各種各樣的細(xì)菌、古細(xì)菌和真核微生物群落, 它們與病毒一起構(gòu)成了極地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分[7]。它們存在于一系列棲息地中, 包括陸地、海洋、海冰、冰下湖泊和冰錐洞等, 大量的微生物群落使得這些極地地區(qū)成為了活躍的生物地球化學(xué)循環(huán)場(chǎng)所[8-9]。這些環(huán)境覆蓋了地球表面約五分之一的面積, 不適宜人類生存, 是獨(dú)特微生物群落的家園[10]。考慮到極地海洋的連通性有限以及淡水供應(yīng)(這些淡水供應(yīng)分別來(lái)自冰川融化和流入南大洋和北冰洋的河流)的差異, 這兩個(gè)地區(qū)的常住微生物群落只有大約30%的相似性[11]。

病毒是游離在海洋環(huán)境中的一類無(wú)細(xì)胞結(jié)構(gòu)的生物, 在海洋中分布非常廣泛, 并且數(shù)量極其豐富, 全球海洋中的病毒粒子豐度能達(dá)到每毫升3×106個(gè), 比海洋細(xì)菌豐度高了3～25倍[12]。在各大洋的所有海域中, 海洋病毒都是數(shù)量最大、物種多樣性最豐富的生物, 它們主要感染的目標(biāo)是海水中的微生物。每年, 很大一部分海洋浮游原核生物的死亡都是由海洋病毒的侵染所導(dǎo)致的(約占其總死亡率的40%～60%), 給全球的海洋生物地球化學(xué)循環(huán)帶來(lái)了非常巨大的影響[13]。

作為全球海洋環(huán)境中數(shù)量最為龐大的生物, 浮游病毒在調(diào)節(jié)海洋生物群落結(jié)構(gòu)、介導(dǎo)水平基因轉(zhuǎn)移和代謝重組、影響生物地化循環(huán)等方面發(fā)揮著非常重要的作用。在海洋中, 每日大約有20%的浮游生物被病毒感染裂解, 海洋中的很大一部分浮游生物死亡的原因就是病毒的裂解作用[14]。海洋病毒可以通過(guò)微生物細(xì)胞裂解的方式影響微生物群落的結(jié)構(gòu)和功能, 從而使細(xì)胞內(nèi)的物質(zhì)轉(zhuǎn)化為可溶性顆粒有機(jī)物并被其他微生物同化吸收。由于病毒對(duì)宿主生物的感染有著特定的專一性, 因此通過(guò)病毒的裂解作用會(huì)一定程度上減少其宿主的豐度, 從而間接改變其他生物種群的豐度, 進(jìn)而改變這片海域的生物群落結(jié)構(gòu)[15]。海洋病毒還可以介導(dǎo)生物間的水平基因轉(zhuǎn)移, 由海洋病毒介導(dǎo)的水平基因轉(zhuǎn)移可以分為溶源性基因轉(zhuǎn)導(dǎo)和非溶源性基因轉(zhuǎn)導(dǎo)兩種[16-17]。前者是溶源性病毒在感染宿主細(xì)胞后把病毒攜帶的遺傳物質(zhì)整合進(jìn)宿主的基因組中, 在之后的裝配釋放過(guò)程中, 使增殖的病毒粒子攜帶有原宿主細(xì)胞基因, 從而通過(guò)對(duì)下一個(gè)宿主細(xì)胞的侵染實(shí)現(xiàn)原宿主的基因轉(zhuǎn)移[18]。非溶源性轉(zhuǎn)導(dǎo)則是指病毒在宿主細(xì)胞內(nèi)的裝配合成過(guò)程中混入了宿主的遺傳物質(zhì), 從而通過(guò)病毒粒子整合進(jìn)入了新的宿主基因組中[17,19]。此外, 已知病毒基因組含有控制光合作用代謝途徑以及碳、氮和硫代謝的基因。海洋病毒與其宿主之間的這種長(zhǎng)期的密切關(guān)系, 促進(jìn)了彼此之間的共同進(jìn)化, 增加了海洋的生物多樣性和遺傳基因的多樣性。除此之外, 海洋病毒還可以通過(guò)侵染微生物宿主來(lái)調(diào)節(jié)海洋生態(tài)環(huán)境中的能量流動(dòng)和物質(zhì)循環(huán), 從而影響生物地球化學(xué)循環(huán)[20]。

目前關(guān)于極地病毒已有初步研究結(jié)果, 也有綜述分析了南極陸地和湖泊病毒的研究進(jìn)展[21], 但關(guān)于極地海水和海冰中病毒研究的綜述較少。本文針對(duì)此問(wèn)題, 對(duì)南北極海水和海冰病毒的豐度、生態(tài)特征、群落結(jié)構(gòu)與多樣性的最新研究進(jìn)展進(jìn)行綜述, 以期為極地海洋病毒的進(jìn)一步研究工作提供信息。

1 海洋病毒宏基因組技術(shù)進(jìn)展

近年來(lái), 宏基因組學(xué)的方法在海洋病毒的學(xué)術(shù)領(lǐng)域發(fā)展迅速, 并且正在產(chǎn)生大量關(guān)于病毒群落多樣性和動(dòng)態(tài)變化的文庫(kù), 但是存在一個(gè)限制宏基因組應(yīng)用的關(guān)鍵問(wèn)題: 病毒的核酸相對(duì)于細(xì)菌核酸含量來(lái)說(shuō)相當(dāng)?shù)蚚22-23]。為了獲得足夠的核酸進(jìn)行宏基因組測(cè)序, 就要減少細(xì)菌和細(xì)胞外核酸的污染, 主要通過(guò)三個(gè)步驟來(lái)從環(huán)境樣品中純化濃縮病毒以減少污染和在測(cè)序之前直接擴(kuò)增提取的病毒核酸。幸運(yùn)的是, 最近已經(jīng)解決了在構(gòu)建病毒組時(shí)許多可能導(dǎo)致偏好或效率低下的因素[24-25]。首先, 通過(guò)氯化鐵絮凝(Iron Chloride Flocculation)來(lái)濃縮病毒顆粒(通常從海水中可以回收超過(guò)90%的病毒)[26], 這種方法克服了切向流過(guò)濾法(Tangential Flow Filtration)病毒顆?；厥招首兓冗^(guò)大的困擾, 成為了一種新的病毒顆粒濃縮方法, 并廣泛應(yīng)用于塔拉海洋考察(Tara Ocean Expeditions)病毒組的研究。其次, 利用復(fù)制的病毒基因組數(shù)據(jù)評(píng)估密度梯度法和酶促消化法對(duì)病毒的純化效果, 據(jù)此來(lái)指導(dǎo)研究人員選擇最佳的方法以實(shí)現(xiàn)他們的研究目標(biāo)。第三, 將從病毒濃縮物中提取的核酸單獨(dú)或作為測(cè)序建庫(kù)制備的一部分而進(jìn)行接頭擴(kuò)增(Linker Amplification), 使dsDNA能夠近似定量地?cái)U(kuò)增病毒基因組, 如果同時(shí)進(jìn)行多重置換擴(kuò)增(Multiple Displacement Amplification, MDA), 由于MDA具有一定的偏好性, 可能會(huì)對(duì)病毒的相對(duì)定量產(chǎn)生影響。此外, 各種測(cè)序平臺(tái)和文庫(kù)制備方法學(xué)現(xiàn)在都有比較多的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù), 這使研究人員能夠選擇特定的應(yīng)用方法。這些進(jìn)展共同促成了一個(gè)病毒樣本到序列獲取的新實(shí)驗(yàn)流程, 以產(chǎn)生近定量的、可重復(fù)的病毒宏基因組, 用于環(huán)境dsDNA病毒群落的研究。

2 南極海洋病毒組研究進(jìn)展

南極具有非常特殊的地理環(huán)境, 遠(yuǎn)離人類社會(huì), 很少受到人類活動(dòng)影響。這些年來(lái), 隨著各國(guó)科技力量的增強(qiáng), 人們對(duì)南極地區(qū)的探索不斷深入, 迄今為止有40多個(gè)國(guó)家在南極地區(qū)建立了100多個(gè)極地科學(xué)考察站。其中我國(guó)在南極有著5個(gè)科學(xué)考察站, 分別為長(zhǎng)城站、中山站、昆侖站、泰山站以及正在建設(shè)的羅斯海新站[27]。我國(guó)科學(xué)家通過(guò)“雪龍”號(hào)和“雪龍2”號(hào)等極地考察破冰船對(duì)南極開(kāi)展了多學(xué)科的考察研究, 在多項(xiàng)科學(xué)研究上取得了重大的突破性進(jìn)展。海水和海冰是南極主要的海洋生態(tài)系統(tǒng), 為包括細(xì)菌和病毒在內(nèi)的極端嗜冷微生物提供了生存棲息地。近年來(lái), 科學(xué)家們對(duì)南極半島和普里茲灣等少數(shù)海域的海水病毒組進(jìn)行了前期研究, 獲得了南極海域病毒組的第一手資料。然而, 目前關(guān)于南極病毒組的研究報(bào)道仍然較少[21]。

2016年, 科學(xué)家對(duì)西南極半島帕爾默科學(xué)考察站(Palmer Station)的DNA和RNA病毒組分別進(jìn)行了時(shí)間序列研究, 結(jié)果表明溫和病毒(Temperate Viruses)在這一地區(qū)占主導(dǎo)地位, 隨著細(xì)菌產(chǎn)量的增加, 從溶原性(Lysogenic Life Strategy)轉(zhuǎn)變?yōu)榱呀庑?Lytic Life Strategy)復(fù)制[28-29]。溫和病毒主要隸屬于短尾噬菌體科(), 而之前其他環(huán)境中的研究普遍認(rèn)為溫和病毒主要隸屬于長(zhǎng)尾噬菌體科()。裂解性病毒主要隸屬于肌尾病毒科()。同時(shí), 南大洋病毒群落在遺傳物質(zhì)上不同于低緯度病毒群落, 主要是受這種溫和病毒優(yōu)勢(shì)的驅(qū)動(dòng)。這一新的信息表明, 極地環(huán)境中病毒與宿主的相互作用有著根本的不同。在極地環(huán)境中, 細(xì)菌生產(chǎn)的強(qiáng)烈季節(jié)性變化會(huì)選擇溫和的病毒, 這是由于其能夠根據(jù)資源的可用性而改變復(fù)制策略, 從而具有更廣泛的適應(yīng)能力。此外, 溫和病毒成為優(yōu)勢(shì)種可能導(dǎo)致由原噬菌體誘導(dǎo)引起的細(xì)菌死亡, 有助于解釋在極地和低緯度海洋生態(tài)系統(tǒng)中細(xì)菌和初級(jí)生產(chǎn)力之間的時(shí)間延遲和較低的比率。這些結(jié)果共同表明, 溫和病毒與宿主的相互作用對(duì)于預(yù)測(cè)極地海洋系統(tǒng)變暖引起的微生物動(dòng)態(tài)變化至關(guān)重要[28]。對(duì)南極帕爾默站附近沿海地區(qū)采集的純化病毒樣本進(jìn)行的宏基因組學(xué)研究結(jié)果顯示, 在夏季浮游植物大量繁殖期間(11月至3月), RNA病毒占總浮游病毒高達(dá)65%(8%～65%), 并且大多數(shù)RNA病毒的基因組中都具有與微小RNA病毒目()最為匹配的正鏈ssRNA基因。通過(guò)整合這些基因組片段, 得到了5個(gè)新的、幾乎完整的RNA病毒基因組, 其中3個(gè)具有與感染硅藻的RNA病毒相似的特征, 這一結(jié)果與RNA病毒影響南極水域硅藻水華動(dòng)態(tài)的假設(shè)一致[29]。

塔拉海洋考察也對(duì)美洲和南極半島之間的高緯度海區(qū)3個(gè)站位表層和次表層葉綠素最大層5個(gè)樣品的病毒組進(jìn)行了研究報(bào)道, 并對(duì)塔拉海洋病毒組數(shù)據(jù)集(TOV)中大于100 kb的基因簇contigs進(jìn)行了分析, 證明了南極洲的病毒種群與世界其他地區(qū)(共有26個(gè), 包括表層和深海站點(diǎn))存在明顯差異[30]。利用宏基因組技術(shù)對(duì)從塔拉海洋和馬拉斯皮納(Malaspina Expedition)研究考察期間采集的表層和深海病毒樣本進(jìn)行分析, 獲得了大量的完整基因組和大基因組片段, 并分析由此產(chǎn)生的“全球海洋病毒組”(Global Oceans Viromes, GOV)數(shù)據(jù)集, 以呈現(xiàn)豐富的雙鏈DNA病毒的全球海洋分布圖, 包括基因組和生態(tài)環(huán)境。GOV數(shù)據(jù)集共鑒定出15222個(gè)表層和中層病毒群(Viral Population, 相當(dāng)于種水平), 包括867個(gè)病毒簇(Viral Cluster, 相當(dāng)于屬水平)。最新的全球病毒組2.0數(shù)據(jù)集整合了北極病毒宏基因組的數(shù)據(jù), 發(fā)現(xiàn)南極病毒組與北極和中低緯度海洋病毒組之間存在非常大的差異, 代表了一個(gè)獨(dú)特的病毒區(qū)(Viral Ecological Zone)[31]。

2016年本課題組報(bào)道了南極普里茲灣(Prydz Bay)的病毒豐度分布。研究表明, 表層病毒豐度約為每毫升105～106個(gè), 平均值為每毫升1.1×106個(gè)。表層病毒在近岸埃默里冰架(Amery Ice Shelf)前緣附近豐度較高, 普里茲灣灣內(nèi)高于灣外, 表層病毒豐度整體上呈現(xiàn)由近岸至遠(yuǎn)海減少的趨勢(shì)。而本課題組2018年對(duì)普里茲灣病毒宏基因組進(jìn)行了報(bào)道, 結(jié)果表明, 在南極普里茲灣附近表層海域有尾噬菌體目()病毒處于支配地位, 相對(duì)物種豐度高達(dá)67.67%～71.99%。其中長(zhǎng)尾噬菌體科(29.34%～34.78%)的所占比例高于肌尾噬菌體科(17.60%～21.30%)和短尾噬菌體科(10.37%～18.58%)。此外, 在普里茲灣的研究發(fā)現(xiàn)了核質(zhì)巨D(zhuǎn)NA病毒(Nucleocytoplasmic Large DNA Viruses, NCLDV)類群的大量存在, 其中主要是藻類DNA病毒科()和擬菌病毒科()的成員。并且在南極第一個(gè)深海病毒組樣品(采集自海面以下3357m水層)中發(fā)現(xiàn)NCLDV的相對(duì)豐度超過(guò)30%, 并且與低緯度的夏威夷ALOHA時(shí)間序列站的深海病毒組結(jié)構(gòu)相似。利用病毒組拼接得到的病毒基因組發(fā)現(xiàn), 南極普里茲灣宏基因組拼接得到的病毒基因組(PBI2_1_C, 環(huán)狀, 長(zhǎng)度為34336 bp)與從北極分離得到的病毒phage phi10:1和phage 11b的基因組相似性最高, 暗示著南北極病毒組之間存在緊密聯(lián)系[32]。

同樣, 2019年本課題組在南極南斯科舍嶺(South Scotia Ridge)的研究也發(fā)現(xiàn), 有尾噬菌體和NCLDV在該地區(qū)具有很高的生物多樣性, 其中有尾噬菌體的相對(duì)豐度高達(dá)85.74%～88.59%, 豐度最高的為短尾噬菌體(41.92%～48.70%), 其次為肌尾噬菌體(22.92%～29.46%)和長(zhǎng)尾噬菌體(11.92%～14.08%)。而NCLDV的相對(duì)豐度低于普里茲灣海域[32], 為2.85%～4.24%, 其中占主要地位的是藻類DNA病毒科的成員(1.32%～3.57%), 推測(cè)NCLDV在極寒環(huán)境中的多樣性較高。并且, 在南斯科舍嶺病毒組中發(fā)現(xiàn)了5個(gè)新的感染球形棕囊藻病毒的噬病毒體(virus virophage, Pgvv)基因組片段[33]。

在西南極半島智利灣(Chile Bay)浮游植物水華(Phytoplankton Bloom)爆發(fā)前后的宏基因組研究顯示了肌尾噬菌體和藻類DNA病毒科的相對(duì)豐度變化, 爆發(fā)前由肌尾噬菌體(82%)占主導(dǎo)地位, 而爆發(fā)后改為藻類DNA病毒(92%)占主導(dǎo)地位, 闡明了極地海洋病毒在水華爆發(fā)過(guò)程中對(duì)群落結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)的重要作用[34]。此外, 還報(bào)道了一種新的藻類病毒(Phycodnavirus, PaV), 推測(cè)該病毒的宿主為南極棕囊藻(), 一種主要在南大洋繁殖的浮游植物[35]。這項(xiàng)工作能夠識(shí)別極地水華發(fā)育過(guò)程中主要病毒因子的變化, 并表明病毒類群在浮游植物赤潮爆發(fā)過(guò)程中的變化可以作為一個(gè)模型來(lái)理解整個(gè)水華期的發(fā)展和衰退。

海冰生態(tài)系統(tǒng)是極地特有的生態(tài)系統(tǒng)類型, 是極地海洋生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分。與細(xì)菌、藻類和原生生物宿主相關(guān)的病毒在南極海冰中也有發(fā)現(xiàn)[36], 盡管目前尚無(wú)海冰病毒宏基因組的研究被報(bào)道。隨著海冰的形成, 富含鹽分和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的鹽水通道和鹽穴就會(huì)形成, 并在冰內(nèi)保持液態(tài)。由于是半封閉的, 它們支持微生物生長(zhǎng), 并有利于提高病毒和微生物宿主之間的接觸率[37]。在南極洲不同地區(qū)的海冰中檢測(cè)到了高病毒豐度, 例如, 在深秋和夏季的羅斯海冰中檢測(cè)到病毒豐度為每毫升106～108個(gè)[38], 其中包括在鹽水和淤泥冰芯樣本中的衣殼直徑大于110 nm的大型病毒[36]。在南極東部普里茲灣的兩個(gè)近海地點(diǎn), 通過(guò)每年海冰周期從兩個(gè)不同深度采集的速凍樣本中檢測(cè)到病毒數(shù)量在每毫升0.6×105～5×105個(gè)之間[39]。最近, 第一個(gè)可培養(yǎng)的噬菌體-宿主系統(tǒng)是從威德?tīng)柡５牡谝荒旰偷诙甓竞１蟹蛛x出來(lái)的[37],共鑒定出感染典型海冰細(xì)菌59株, 并首次分離到4株南極海冰病毒(分別命名為PANV1、PANV2、OANV1和OANV2), 其宿主分別屬于典型海冰細(xì)菌和。

3 北極海洋病毒組

不同于有著巨大大陸的南極, 北極地區(qū)由北冰洋、沿岸亞、歐、北美三洲大陸以及大量分散的島嶼組成, 是地球環(huán)境系統(tǒng)中重要的一部分, 直接影響全球尺度的大氣環(huán)流、大洋環(huán)流和氣候演化等[40]。在每年的大多數(shù)時(shí)間內(nèi), 大多數(shù)地區(qū)的北冰洋表層都會(huì)有冰蓋形成, 在北冰洋中心位置有著終年不化的海冰, 這些海冰最久的甚至已經(jīng)有三百萬(wàn)年的歷史。北冰洋下方有2/3的面積是大陸架, 儲(chǔ)藏著大量的的石油資源, 也有著非常豐富的底棲生物和浮游生物多樣性。現(xiàn)今, 北極生態(tài)系統(tǒng)是對(duì)全球氣候變化最敏感的生態(tài)系統(tǒng), 北極地區(qū)發(fā)生的環(huán)境變化在很大程度上取決于邊緣海大陸架上發(fā)生的過(guò)程, 包括大量的淡水徑流等[41]。從陸地引入的大陸水域和外來(lái)物質(zhì)的轉(zhuǎn)化, 對(duì)水體理化性質(zhì)的形成、控制物質(zhì)的生物地球化學(xué)平衡、橫向和縱向通量以及生物生產(chǎn)起著重要的作用。此外, 北極生態(tài)系統(tǒng)對(duì)與海洋人類活動(dòng)和河流徑流污染物有關(guān)的人為壓力特別敏感。隨著全球氣候變暖, 北極地區(qū)正發(fā)生著快速的氣候環(huán)境變化, 不僅對(duì)北冰洋沿岸地區(qū)的人類活動(dòng)產(chǎn)生影響, 還對(duì)全球的氣候環(huán)境產(chǎn)生直接或間接的影響[42]。

海冰是在北極地區(qū)存在的一個(gè)獨(dú)特的生態(tài)系統(tǒng), 它給包括了細(xì)菌和病毒在內(nèi)的幾類豐度極高的特殊冰相關(guān)生物提供了生存棲息地。低溫是影響微生物多樣性的關(guān)鍵性因素之一, 這些物種不僅把海冰作為它們的棲息地, 它們之間發(fā)生的相互作用對(duì)整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的功能也具有潛在的巨大影響。近年來(lái), 科學(xué)家們多次在北冰洋地區(qū)開(kāi)展科學(xué)考察, 獲得了大量研究資料[43]。然而, 受到北冰洋地區(qū)特殊的地緣關(guān)系的影響, 這些地區(qū)的研究成果相對(duì)較少[44]。

北極與南極洲一樣, 由于冰層融化, 光和淡水輸入也經(jīng)歷了類似的季節(jié)性波動(dòng)[45]。由于溫度和光照影響極地地區(qū)的微生物多樣性, 為了了解營(yíng)養(yǎng)循環(huán), 已經(jīng)進(jìn)行了一些研究, 將病毒成分與原核生物豐度聯(lián)系起來(lái)[46]。北極地區(qū)的病毒群落組成和分布已通過(guò)分子方法進(jìn)行評(píng)估, 如隨機(jī)擴(kuò)增多態(tài)性DNA PCR(RAPD-PCR)[45]、末端限制性片段長(zhǎng)度多態(tài)性(T-RFLP)和宏基因組學(xué)[47-48]。在加拿大北極地區(qū), 用CRA-22和OPA-13引物檢測(cè)到的DNA基因組中, 病毒群落的變異受空間距離和空間相關(guān)環(huán)境參數(shù)的影響。在巴芬灣和北極群島, 這種變異與原核成分不耦合, 可能表明這些病毒感染真核宿主[46]。

2006年, 科學(xué)家通過(guò)對(duì)北美北冰洋16個(gè)不同地點(diǎn)的56個(gè)樣本的未培養(yǎng)病毒組的焦磷酸測(cè)序鑒定了ssDNA噬菌體和原噬菌體(Prophage)。使用tBlastX和tBlastN對(duì)來(lái)自北極和其他三個(gè)海洋區(qū)域(加拿大英屬哥倫比亞沿海、馬尾藻海、墨西哥灣)的組裝序列與非冗余和環(huán)境種子數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行了比較, 并使用噬菌體蛋白組樹(shù)(Phage Proteomic Tree)進(jìn)行了分類學(xué)分類[48]。這些分析表明, 海洋噬菌體與土壤和沉積物中發(fā)現(xiàn)的噬菌體不同, 可以通過(guò)它們的生物地理學(xué)加以區(qū)分[23]。此外, 通過(guò)病毒宏基因組技術(shù)研究了北冰洋北美洲扇區(qū)16個(gè)站位56個(gè)樣品混合組成的一個(gè)病毒組文庫(kù)的病毒群落結(jié)構(gòu), 發(fā)現(xiàn)北極與加拿大英屬哥倫比亞沿海、馬尾藻海、墨西哥灣三個(gè)海洋環(huán)境的病毒群落結(jié)構(gòu)存在顯著差異, 并發(fā)現(xiàn)北極樣品中含有更高比例的原噬菌體序列(prophage-like sequences)。但大多數(shù)病毒類群在四個(gè)環(huán)境中均被檢測(cè)到, 一定程度上支持生物地理學(xué)的基礎(chǔ)假說(shuō)“Everything is everywhere, but, the environment selects”。但由于測(cè)序通量所限, 當(dāng)時(shí)北極病毒組的數(shù)據(jù)量?jī)H有69 Mbp, 這極大限制了我們對(duì)北極病毒組的深入認(rèn)識(shí)[23]。

對(duì)加拿大北極波弗特海和阿蒙森灣的空間和季節(jié)性調(diào)查表明了這些高度異質(zhì)的北極環(huán)境中的類T4肌病毒和藻類DNA病毒的組成和驅(qū)動(dòng)力[49]。在2003—2004年收集的環(huán)境樣品上, 對(duì)藻類DNA病毒的DNA聚合酶B基因()、肌噬菌體的主要衣殼蛋白基因()以及細(xì)菌(16S)和真核生物(18S)SSU rDNA使用已建立的標(biāo)記基因進(jìn)行了PCR變性梯度凝膠電泳(DGGE)指紋圖譜分析。病毒組合的季節(jié)性變化與病毒群的季節(jié)性變化有關(guān)。指紋圖譜顯示不同季節(jié)的藻類DNA病毒種群存在顯著差異。藻類DNA病毒多樣性與18S rDNA動(dòng)態(tài)相關(guān), 表明病毒種群結(jié)構(gòu)和潛在寄主群落對(duì)環(huán)境變化的響應(yīng)。帶型具有高度動(dòng)態(tài)性, 表明感染原核生物的各種肌病毒在季節(jié)和空間上都存在差異; 但在不同季節(jié)、不同地區(qū)或不同深度取樣的情況下, 沒(méi)有檢測(cè)到顯著差異[49]。雖然這項(xiàng)研究提供了微生物和病毒群落結(jié)構(gòu)的定性評(píng)估, 但它僅限于兩種可以設(shè)計(jì)引物的DNA病毒, 并且通過(guò)DGGE的分辨能力, 即大小和核苷酸組成相似的擴(kuò)增子一起遷移。

來(lái)自北極附近波羅的海的研究提供了一個(gè)從北極到亞北極地區(qū)過(guò)渡過(guò)程中, 對(duì)藍(lán)藻浮游生物和相關(guān)微生物類群進(jìn)行詳盡的宏基因組和轉(zhuǎn)錄組分析的例子[50]。在這個(gè)區(qū)域海冰形成的鹽水通道中, 原核生物和病毒多樣性的研究也在展開(kāi)。以培養(yǎng)為基礎(chǔ)的方法已認(rèn)識(shí)到希瓦氏菌()和黃桿菌()菌株是波羅的海海冰中最豐富的異養(yǎng)細(xì)菌, 在那里, 北部波的尼亞灣(Gulf of Bothnia)每年可能在嚴(yán)冬中被冰層覆蓋超過(guò)6個(gè)月。據(jù)報(bào)道, 這些冷活性細(xì)菌通常被宿主范圍狹窄的長(zhǎng)尾噬菌體和肌尾噬菌體感染[51]。根據(jù)國(guó)際病毒分類委員會(huì)(ICTV)分類標(biāo)準(zhǔn), 這些分離的噬菌體中有6個(gè)屬于5個(gè)新屬[52]。與宏基因組學(xué)相比, 這種基于培養(yǎng)的研究在評(píng)估病毒多樣性的能力上似乎有限, 然而這些特征化的病毒是序列數(shù)據(jù)庫(kù)的重要補(bǔ)充, 因?yàn)槌^(guò)60%的宏基因組注釋結(jié)果不能匹配上已知的病毒類群[53-54]。眾所周知, 病毒通過(guò)感染循環(huán)來(lái)調(diào)節(jié)群落結(jié)構(gòu), 引起系統(tǒng)內(nèi)的各種化學(xué)流動(dòng), 進(jìn)而導(dǎo)致生物地球化學(xué)循環(huán)的轉(zhuǎn)變。序列數(shù)據(jù)提供了可以外推的證據(jù), 以便更好地了解病毒的生態(tài)作用與生態(tài)位。利用細(xì)菌核心基因系統(tǒng)進(jìn)化樹(shù)上豐富節(jié)點(diǎn)數(shù)(分類群)歸一化的病毒細(xì)菌比例為感染潛勢(shì)的量度, 發(fā)現(xiàn)這種潛力通常與波羅的海細(xì)菌多樣性呈負(fù)相關(guān)[50], 并支持了負(fù)密度依賴的選擇性環(huán)境會(huì)導(dǎo)致更大的宿主多樣性的推測(cè)。因此, 更豐富和更有效的宿主群體可能會(huì)增加對(duì)病毒攻擊的易感性, 這種情況可能導(dǎo)致宿主多樣性和感染風(fēng)險(xiǎn)之間的直接關(guān)系。

最近, Gregory等[31]建立了一個(gè)由145個(gè)橫跨全球海洋的病毒樣品構(gòu)成的、擁有195728種全球海洋DNA病毒組的最新全球海洋病毒宏基因文庫(kù)(Global Ocean Viromes2.0, GOV 2.0), 其中在北冰洋及其附近海域的20個(gè)采樣點(diǎn)共收集到41個(gè)樣品, 這41個(gè)北冰洋病毒樣品代表了海洋中最顯著的氣候密集區(qū)和極端環(huán)境。與以往的GOV病毒數(shù)據(jù)集相比, GOV 2.0增加了部分海洋中層和極地病毒樣品, 也改進(jìn)了病毒基因組序列的拼接方法。通過(guò)對(duì)145個(gè)樣本的聚類分析, GOV 2.0將全球海洋病毒群落分為了5個(gè)生態(tài)區(qū)(Ecological Zones)——北極病毒生態(tài)區(qū)(ARC)、南極病毒生態(tài)區(qū)(ANT)、深海病毒生態(tài)區(qū)(BATHY)、溫帶及熱帶上層海洋生態(tài)區(qū)(TT-EPI)和溫帶及熱帶中層海洋生態(tài)區(qū)(TT-MES)。對(duì)這些病毒生態(tài)區(qū)的預(yù)測(cè)因子和驅(qū)動(dòng)因子進(jìn)行的單維度和多維度評(píng)估結(jié)果顯示, 與全球微生物研究相似, 溫度是構(gòu)成這些生態(tài)區(qū)的主要驅(qū)動(dòng)力, 此外, 溫度在病毒-宿主相互作用中起著重要作用, 尤其是在北極地區(qū)。在每個(gè)生態(tài)區(qū)中尋找特殊的病毒適應(yīng)因子時(shí)發(fā)現(xiàn), 每個(gè)樣品中至少有124882個(gè)基因是正向選擇的, 其中82%的基因無(wú)法得到功能注釋, 其余的18%的基因主要與結(jié)構(gòu)或DNA代謝有關(guān)[31]。據(jù)此推測(cè), 每個(gè)生態(tài)區(qū)的宿主給海洋病毒類群造成了一個(gè)強(qiáng)大的選擇壓力。病毒的多樣性研究結(jié)果表明, 病毒的宏觀多樣性在海洋淺表最高并隨著海洋深度的增加而降低, 微觀多樣性在水深小于200 m的時(shí)候沒(méi)有降低, 在水深大于200 m時(shí)急劇增加。據(jù)此推測(cè)區(qū)域特殊細(xì)菌種群宏觀多樣性的增加會(huì)影響病毒微觀多樣性, 病毒微觀多樣性的增加會(huì)引起細(xì)菌種群宏觀多樣性的減少。同時(shí), 研究還指出, 全球的表層海域和北冰洋將會(huì)是未來(lái)病毒生物多樣性研究的熱點(diǎn)地區(qū)。

4 小結(jié)

北極和南極作為微生物的樂(lè)園, 有著極高的多樣性, 探索極地病毒多樣性和病毒與宿主之間的關(guān)系有助于了解極地病毒組成、進(jìn)化過(guò)程, 及其在生物地球化學(xué)循環(huán)中的作用。近年來(lái), 病毒宏基因組學(xué)從采樣方法到分析流程, 都有了巨大的改進(jìn)和優(yōu)化, 這也大大增強(qiáng)了分析結(jié)果的可信度。然而, 病毒宏基因組的研究方法仍然存在著一個(gè)非常重要的難題。海洋中存在著大量的未知病毒, 而人類對(duì)全球海洋病毒多樣性研究還不夠深入, 目前絕大多數(shù)海洋病毒不能被人工分離培養(yǎng), 這也導(dǎo)致病毒宏基因組中大量的序列不能與基因組數(shù)據(jù)庫(kù)中已知的病毒序列相匹配。有些海洋環(huán)境中, 這些不能匹配的序列占比超過(guò)90%, 被稱為病毒“暗物質(zhì)”[55]。

總體來(lái)說(shuō), 目前極地海洋病毒組研究才剛剛開(kāi)始, 且主要集中在dsDNA病毒組研究, 而ssDNA病毒和RNA病毒組研究還非常少。這需要未來(lái)開(kāi)展大量的極地海洋病毒宏基因組研究來(lái)彌補(bǔ)這一不足。并且, 未來(lái)隨著病毒分離培養(yǎng)技術(shù)的進(jìn)步, 我們能夠分離和鑒定得到更多的極地病毒基因組, 將這些病毒基因數(shù)據(jù)整合進(jìn)病毒宏基因組數(shù)據(jù)庫(kù)中, 并且能夠通過(guò)生物信息學(xué)分析方法將未知病毒與其潛在宿主聯(lián)系起來(lái), 這些技術(shù)與數(shù)據(jù)庫(kù)方面的進(jìn)步將大大提高宏基因組分析的準(zhǔn)確性與認(rèn)識(shí)水平。并且極地病毒宏基因組與海洋生物地球化學(xué)循環(huán)的耦合分析也將是一個(gè)值得深入研究的方向[56]。未來(lái), 極地病毒的神秘面紗必將被慢慢揭開(kāi), 這對(duì)從全球尺度認(rèn)識(shí)海洋病毒的多樣性、進(jìn)化和生物地球化學(xué)循環(huán)中的作用具有非常重要的意義。

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Progress of metagenomic analysis of marine viromes in polar regions

Zhou Xinhao1, Liang Yantao1, Andrew McMinn1,2, Wang Min1

(1Frontiers Science Center for Deep Ocean Multispheres and Earth System, Key Lab of Polar Oceanography and Global Ocean Change, Institute of Evolution and Marine Biodiversity, College of Marine Life Sciences, Ocean University of China, Qingdao 266003, China;2Institute for Marine and Antarctic Studies, University of Tasmania, Hobart, Tasmania 7001, Australia)

The two poles occupy 14% of the surface area of the Earth’s biosphere, and together form the unique frozen cryosphere on Earth.Antarctica is an extremely large continent surrounded by the Southern Ocean, affected by the Antarctic Circumpolar Current.In contrast, the Arctic is composed of the Arctic Ocean surrounded by continents of Europe, Asia, and North America, and many scattered islands.The polar marine biosphere mainly includes two ecosystems: sea water and sea ice; sea ice is a unique ecosystem that exists in the polar regions.The polar oceans, sea ice, subglacial lakes and other environments contain many unknown viruses and their host microbial communities, which are an important driving force of global biogeochemical cycles.This article reviews the progress of viral diversity in the marine environments of the Arctic and Antarctica over the past two decades, which has been mainly unveiled by metagenomic technology.To date, our knowledge of dsDNA viromes has been significantly improved, however, our knowledge of ssDNA and RNA viromes is still very limited in polar marine environments.In general, our understanding of polar marine viruses is still in its infancy, and many novel scientific issues related to polar marine viruses need to be studied in more detail.

polar region, ocean, sea ice, virus, diversity, metagenomics

2020年12月收到來(lái)稿, 2021年1月收到修改稿

國(guó)家實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目(2018SDKJ0406-6)、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2018YFC1406704)、中央高?；緲I(yè)務(wù)費(fèi)(201812002, 202072002)、國(guó)家自然科學(xué)基金(41976117, 42120104006, 42176111)、國(guó)家海洋局極地考察辦公室項(xiàng)目(RFSOCC2020-2025)資助

周莘皓, 男, 1995年生。碩士研究生, 主要從事極地病毒生態(tài)學(xué)研究。E-mail: 294566038@qq.com

梁彥韜, E-mail: liangyantao@ouc.edu.cn

10.13679/j.jdyj.20200077