新鲜蔬菜叶际病毒组特征及其向人类肠道的潜在转移：探索食物 - 肠道轴的新视角

《Nature Communications》：Characterization of the phyllosphere virome of fresh vegetables and potential transfer to the human gut

为探究新鲜蔬菜微生物对人体肠道微生物组的影响，研究人员开展了 “Characterization of the phyllosphere virome of fresh vegetables and potential transfer to the human gut” 研究。通过对六种绿叶蔬菜叶际病毒组分析，发现其病毒多样且部分可转移至人体肠道，该研究为揭示肠道病毒生态起源提供依据。

　　在现代社会，人们的饮食结构发生了巨大变化，蔬菜在日常饮食中占据着重要地位。大家都知道蔬菜富含营养，对健康有益，可蔬菜表面的微生物却常常被忽视。实际上，蔬菜叶表面存在着各种各样的微生物，这些微生物对人体健康的影响可不容小觑。目前，虽然人们认识到蔬菜微生物群落的重要性，但大多数研究都集中在细菌和真菌上，对于蔬菜上的病毒群落，也就是叶际病毒组（phyllosphere virome），我们知之甚少。而且，由于直接对有限的病毒 DNA 进行测序存在困难，以及对病毒序列的注释存在局限，这都阻碍了我们对叶际病毒组动态和功能的理解。另外，现代社会的西方化导致人类肠道微生物组的生物多样性下降，饮食中的植物纤维虽对肠道微生物组有影响，但食物携带的微生物对肠道微生物组的潜在贡献却被忽视了。在这样的背景下，为了深入了解新鲜蔬菜叶际病毒组及其对人类肠道病毒组的影响，韩国忠南国立大学（Chungnam National University）和济州国立大学（Jeju National University）的研究人员开展了一项重要研究。这项研究成果发表在《Nature Communications》上，为我们揭示了许多关于蔬菜叶际病毒组的奥秘。

研究人员运用了多种关键技术方法来开展此项研究。首先是样本采集，从韩国的零售商店购买了西兰花（Brassica oleracea var. italica）、紫苏（Perilla frutescens var. crispa）、菠菜（Spinacia oleracea）、绿叶生菜（Lactuca sativa）、红叶生菜（Lactuca sativa）和长叶生菜（Lactuca sativa）这六种蔬菜样本。接着进行病毒样颗粒（virus - like particle，VLP）富集、DNA 提取以及鸟枪法宏基因组测序（shotgun metagenome sequencing），从而获取病毒基因组信息。同时，还对细菌 DNA 进行提取和扩增子测序，用于分析细菌微生物组。此外，通过比较蔬菜病毒基因组与 1498 个人类粪便 VLP 宏基因组以及人类肠道病毒组数据库（Gut Virome Databases，GVDs），探究蔬菜相关病毒向人类肠道的潜在转移。

下面我们来详细看看研究结果：

1. 新鲜蔬菜病毒基因组的重建：研究人员收集了 60 个蔬菜叶片样本，通过 VLP 富集和宏基因组测序，去除植物来源的 reads 后，获得了高质量的双端 reads。这些 reads 被组装成大的 contigs，经过多种生物信息学方法鉴定出病毒 contigs。最终建立了包含 8137 个非冗余病毒基因组的数据集，其中包括 198 个环状和 7939 个线性基因组。这表明研究成功从新鲜蔬菜样本中获得了富含病毒信息的基因组序列，也显示出大量蔬菜病毒有待进一步探索。
2. 新鲜蔬菜含有丰富且特异的叶际病毒组：研究人员通过添加大肠杆菌 T4 噬菌体作为内标，量化了蔬菜病毒组的总病毒丰度。结果发现，每克叶片平均约有9.8×107±2.2×109个病毒基因组，不同蔬菜类型和种植方式下病毒数量有所差异。同时，细菌基因组数量与病毒基因组数量存在相似变化趋势，平均病毒 - 细菌比（virus - to - bacteria ratio，VBR）为 1.2±12.7，这表明叶际病毒感染动态可能与相对营养匮乏环境相似，且病毒组组成因蔬菜类型和采样时间而异，具有宿主特异性和时间变化性，并且病毒和细菌微生物组之间存在强共变关系。
3. 新鲜蔬菜病毒大多未被表征：根据国际病毒分类委员会（International Committee on Taxonomy of Viruses）的分类法，研究人员构建基因共享网络对蔬菜病毒组进行分类。结果发现，93.1±6.3% 的病毒操作分类单元（virus operational taxonomic units，vOTUs）无法分类到属或科，已分类的 vOTUs 大多为原核病毒，且不同蔬菜类型的病毒群落组成存在差异，宿主特异性噬菌体在新鲜蔬菜叶际病毒组中占主导地位。
4. 烈性和温和噬菌体与细菌宿主的相互作用不同：研究人员通过搜索溶原相关基因和病毒基因组侧翼的宿主区域，确定了温和噬菌体的数量，发现烈性噬菌体在蔬菜病毒组中占主导地位。通过预测宿主和分析辅助代谢基因（auxiliary metabolic genes，AMGs），发现烈性噬菌体与细菌宿主的相互作用更广泛，且烈性和温和噬菌体的 AMG 组成存在显著差异，这表明它们在新鲜蔬菜微生物组中与宿主的相互作用方式不同。
5. 新鲜蔬菜病毒可转移至人类肠道：研究人员通过比较蔬菜病毒 vOTU 基因组与公共数据库中的病毒基因组，发现部分蔬菜病毒与人类相关生态系统有关。进一步分析 1498 个人类肠道 VLP 宏基因组后，鉴定出 627 个与肠道相关的 vOTUs，虽然其丰度较低，但具有较高的流行率。这表明新鲜蔬菜病毒可以转移至人类肠道，不过在肠道病毒组中所占比例相对较小。
6. 短期蔬菜摄入促进病毒从新鲜蔬菜转移：研究人员招募了 53 名健康个体，根据短期和长期饮食模式分析其粪便病毒组。结果发现，肠道相关 vOTUs 的组成与蔬菜和水果的短期摄入显著相关，短期大量摄入蔬菜的个体肠道中 vOTUs 数量更多，但并非所有病毒都能同等地转移到肠道，这表明病毒从新鲜蔬菜的转移可能是一个选择性过程。
7. 代谢和炎症性疾病患者体内蔬菜病毒减少：研究人员分析了肥胖、溃疡性结肠炎、结直肠癌 / 腺瘤、酒精性肝病和 2 型糖尿病等疾病患者的肠道病毒组，发现疾病组中肠道相关 vOTUs 的多样性和相对丰度显著低于健康对照组。这表明蔬菜来源病毒的减少是代谢和炎症性疾病中病毒组失调的一个共同特征。

综合以上研究结果和讨论，这项研究意义重大。它首次深入探究了新鲜蔬菜叶际病毒组，发现其具有高度多样性、特异性和可变性，并且揭示了叶际病毒组 - 食物 - 肠道轴的存在，即新鲜蔬菜对人类肠道病毒组的多样性和动态变化有着重要贡献。这不仅丰富了我们对蔬菜微生物群落的认识，也为理解人类肠道病毒的生态起源提供了新的视角。同时，研究还发现肠道相关蔬菜病毒在健康个体和疾病患者之间存在差异，这为研究肠道病毒与健康和疾病的关系提供了重要线索，或许未来可以将其作为肠道病毒组失调的生物标志物。此外，该研究也为进一步研究食物来源微生物通过微生物组 - 食物 - 肠道轴对人类健康的影响奠定了基础，有助于我们更好地理解饮食与健康之间的复杂关系，为改善人类健康提供新的思路和方向。