识别病毒从海洋微生物“窃取”的基因

　　

　　

　　在海洋中循环养分的微生物不会自己完成这项工作——感染它们的病毒也会影响这个过程。这对地球上的其他地方来说是一项至关重要的工作，使海洋能够吸收大气中一半的人类产生的碳，并产生我们呼吸的一半氧气。

　　一项新的研究使科学家们更接近于更全面地了解病毒在全球海洋循环营养物质（如氮、磷和特别感兴趣的碳）中的位置。这项研究广泛地扩展了20年前的一项发现，即基因可以在病毒和它们感染的光合细胞之间交换，并整合了随后100多篇关于病毒和代谢的论文的数据。

　　由俄亥俄州立大学领导的研究小组在《微生物组》杂志上发表了一篇报告，称他们创建了一个基因目录，这些基因是病毒从它们感染的全球海洋微生物中“窃取”来的。科学家们鉴定并组织了近23000个被称为辅助代谢基因（amg）的基因，其中包括7000多个以前从未记录过的基因。分析表明，大约五分之一的海洋病毒种群携带至少一种AMG。

　　为了进一步了解病毒的作用，研究人员绘制了340条归因于海洋微生物的代谢途径——微生物根据生存需要消耗和产生分子，从而导致营养平衡的变化。其中，科学家们发现病毒amg映射到128个途径，这意味着病毒影响了这些过程的37%以上。

　　“我们仍然不知道病毒的影响程度。但是现在我们知道了病毒通过AMGs靶向的途径，我们可以使用代谢建模方法来定量估计病毒对宿主群落和海洋功能的影响，”第一研究作者田福宁说，他是俄亥俄州立大学微生物学博士生。

　　“未来的建模工作可能涉及增加或减少通过这些途径发生的代谢通量，并观察病毒的影响将如何变化。”

　　Tian和她的共同主要作者，前俄亥俄州立大学微生物学博士后学者James Wainaina，专注于感染原核生物的DNA病毒：细菌和其他漂浮在世界海洋中的单细胞生物。

　　Wainaina和Tian是该研究的资深作者、微生物学教授、俄亥俄州立大学微生物组科学中心创始主任马修·沙利文（Matthew Sullivan）领导的实验室的成员。

　　沙利文是塔拉海洋联盟的病毒协调员，这是一个为期三年的全球研究气候变化对世界海洋影响的研究。作为国际合作的一部分，他领导了之前的工作，对海洋中近20万种DNA和5500种RNA病毒进行了分类，并确定了病毒缓解气候变化的潜力。

　　Tian和Wainaina为这项研究分析了7.6 tb的Tara海洋宏基因组序列数据，将已知的海洋DNA病毒种群增加到579,904。从这些群体中，研究小组采取了许多计算步骤来确定位于病毒基因组中的辅助代谢基因。

　　他们保守地鉴定出总共86,913个amg，这些amg分为22,779个基于序列的基因簇。其中，7248人是首次被发现。病毒从它们感染的微生物细胞中提取这些基因，并将这些基因整合到自己的基因组中，从而赋予它们重新编程宿主细胞功能的能力，从而确保病毒的存活。

　　Wainaina说：“辅助代谢基因的挑战在于，人们知道它们的存在，但这些基因与细胞拷贝相似，这使得区分病毒拷贝和微生物拷贝变得很重要。”

　　“为了最大限度地减少误报，我们采取了管理步骤，以确保我们只关注病毒基因组片段上的amg，”田说。

　　然后，他们进一步分析了基因组数据，以确定代谢途径——每一个都是一系列改变细胞功能的相关行为——可以追溯到特定的微生物物种，揭示了340种这样的途径。通过他们新的“被盗”基因目录，研究人员发现其中128条途径是病毒amg的目标。

　　“这是我们的重大发现，”田说。“在这篇论文之前，我们不知道全球海洋中有多少微生物编码了代谢途径，更不知道有多少代谢途径是通过amg被病毒靶向的。”

　　Wainaina补充说：“这不仅与数量有关，还与病毒所参与的特定途径有关，这些途径通知了病毒在海洋中重新编程和操纵的生物地球化学循环。”

　　Sullivan说，AMG目录和代谢途径映射为微生物组工程实验和建模提供了基础，这将有助于研究人员更准确地预测病毒在海洋生物地球化学过程中的作用。

　　“目前大多数模型根本不包括病毒，只有一些模型包括微生物，”他说。“令人兴奋的是，我们已经生成了这些数据，这些数据对于将病毒及其影响引入新的预测模型至关重要。”