2024年8月8日，北京大学倪晋仁团队在Nature Communications 在线发表题为“Unveiling the unknown viral world in groundwater”的研究论文，该研究揭示了地下水中未知的病毒世界和与甲烷、氮、硫、磷循环相关的辅助代谢，强调了地下病毒圈在病毒生态学中的重要性。
研究建立了首个地下水病毒宏基因组目录(GWVC)，其中包括从中国7个地质环境带607口监测井中检测到的280,420种(≥5kb)病毒。在将全球已知地下水病毒组合扩大约10倍的过程中，研究发现了超过99%的新病毒和约95%的新病毒簇。通过将病毒与119个原核生物门的宿主联系起来，将地下水中已知被病毒感染的微生物门的数量增加了一倍。CPR细菌和DPANN古细菌是含水层中重要的超小型共生体，对有毒力的病毒易感。某些完整的CPR病毒甚至可能感染非CPR细菌，而部分CPR/DPANN病毒携带细胞表面修饰基因，帮助共生体细胞粘附于自由生活的微生物。
病毒是地球上数量最多的实体，对所有生物和生态系统都有深远的影响。地下水中存在约2×1029个原核细胞，它们是遗传多样性的重要组成部分，并操纵着生物地球化学和生态过程。在对地下水微生物进行深入研究的同时，一些证据表明，病毒也参与了地下水生态系统的生物地球化学循环。以前已证实含水层中存在病毒，其形态多变且丰度高。越来越多的溶解噬菌体感染大量宿主已经在潜水和地下水中被发现，这意味着地下环境可能是全球病毒圈中未被开发的生物群落。
尽管病毒在宿主进化、微生物代谢和生态过程中发挥着重要作用，但只有少数病毒可以通过培养依赖的方法进行鉴定。随着新一代测序技术的发展，越来越多的病毒序列被从元组学数据中鉴定出来，进一步加深了对不同栖息地病毒的认识。最近基于元组学数据的病毒多样性和宿主相互作用的研究有助于克服通过有限数量的培养捕获地下水病毒所遇到的困难。地下水中的病毒显示出与以前已知的病毒不同的巨大新颖性。先前报道的地下水中病毒与宿主的关系，为某些特定类群的病毒生活方式和感染机制提供了理想的模型。然而，地下水原核生物和抗病毒系统的巨大多样性表明，存在许多未知的病毒-宿主关系，但尚未确定。此外，地下水中病毒辅助代谢基因(AMGs)的信息有限，可能阻碍了对病毒对地下生物地球化学过程影响的认识，而频繁的水平基因转移和广泛的宿主范围也意味着迫切需要对参与地下水碳、氮、硫、磷代谢的病毒辅助代谢基因进行新的探索。
更重要的是，具有典型缺氧或厌氧环境的地下水生态系统为两个关键类群提供了理想的栖息地，即CPR细菌和DPANN古细菌。CPR细菌和DPANN古细菌是原核生物生命树中两个重要的类群，它们通常具有超小的细胞大小和极低的基因组等保守特征。值得注意的是，CPR和DPANN微生物缺乏完整的生物合成途径来合成氨基酸和核苷酸。因此，它们通常作为其他自由生活的原核生物的共生体生活，以获得必需的生物分子，这些共生体的小细胞可以通过各种细胞表面修饰附着在其他微生物的大细胞上。此外，在CPR细菌和DPANN古菌中也发现了限制性修饰和CRISPR-Cas等抗病毒系统，这意味着这些共生体感染了丰富的病毒群。地下水生态系统中的CPR/DPANN病毒在很大程度上仍然未知，特别是在多样性、生活方式、功能潜力及其在微生物共生中的作用方面。
研究目标是探索神秘的地下水病毒圈，包括病毒多样性，病毒-宿主相互作用，以及与生物地球化学循环相关的AMGs。为此，研究利用地下水微生物组的超深度宏基因组测序(每个样本超过30千兆碱基)建立了一个全面的非冗余地下水病毒目录(GWVC)，包括280,420个物种水平的病毒操作分类单位(vOTUs)。这意味着从公开的病毒数据库中获得的现有地下水病毒种类的数量增加了约10倍。重要的是，通过将GWVC与之前已知的病毒进行比较，研究揭示了地下水中99%以上的新病毒和约95%的新病毒簇。原核生物独特的病毒感染模式表明，以CPR细菌和DPANN古细菌为代表的微生物共生体在地下水中更容易被病毒裂解。此外，与甲烷、氮、硫和磷循环相关的AMGs的多样性暗示了地下水病毒在宿主代谢和生物地球化学循环中的重要作用。研究揭示了地下水中未知的病毒世界，并强调了地下病毒圈在未来病毒生态学探索中的基础性重要性。
(来源：iMedicines)
原文出处：Wu Z, Liu T, Chen Q, Chen T, Hu J, Sun L, Wang B, Li W, Ni J. Unveiling the unknown viral world in groundwater. Nat Commun. 2024 Aug 8;15(1):6788. doi: 10.1038/s41467-024-51230-y. PMID: 39117653; PMCID: PMC11310336.
链接：https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39117653/