全球海洋巨型病毒基因组与功能多样性扩展研究揭示生态调控新机制

本研究针对海洋巨型病毒(GVs)基因组信息匮乏的问题，通过分析9个全球海洋数据集，利用BEREN工具鉴定了230个高质量和398个部分GV基因组，首次系统揭示了波罗的海等特殊水域的GV多样性。研究发现Imitervirales和Algavirales目间存在显著功能分化，新增569个GV特有蛋白（包括光合作用相关基因），并通过环境关联分析阐明盐度、深度和细菌产量是GV群落组成的关键驱动因素。该成果发表于《npj Viruses》，为理解GV在海洋生物地球化学循环中的作用提供了重要资源。

　　

在浩瀚的海洋中，单细胞真核生物通过光合作用驱动着全球生物地球化学循环，而感染它们的巨型病毒(Giant Viruses, GVs)则是这一过程中被长期忽视的"幕后调控者"。这些拥有复杂基因组（可达2.5 Mbp）的病毒属于核质巨DNA病毒门(Nucleocytoviricota)，不仅能编码传统病毒罕见的代谢基因，还可能通过"病毒代谢重编程"影响宿主的营养获取和能量代谢。然而，与海洋细菌和噬菌体相比，目前已知的GV基因组数量不足200个，这种认知鸿沟严重限制了对海洋病毒生态功能的评估。

美国迈阿密大学的研究团队通过大规模元基因组分析，从9个海洋数据集（重点关注极地和波罗的海等特殊水域）中挖掘出230个高质量GV基因组和398个部分基因组，使已知海洋GV基因组数量提升12.5%。研究首次系统比较了GV各目（如Imitervirales和Algavirales）的基因组特征差异，发现前者富含中心碳代谢和DNA修复基因（95%含MutS错配修复蛋白），后者则普遍缺失这些功能。更引人注目的是，研究鉴定出569个GV新蛋白，包括完整的光合作用通路组件（PsbQ、PsaK等），这些发现发表在《npj Viruses》上，为理解病毒调控海洋初级生产力的机制提供了分子基础。

关键技术包括：1）基于Illumina测序数据的Megahit组装；2）自主开发的BEREN工具进行GV基因组分箱（binning）；3）dRep软件98% ANI去冗余；4）PolB基因构建最大似然系统发育树；5）COG/PFAM数据库功能注释；6）波罗的海样本的CCA环境因子分析。

【Biogeography of 230 novel giant virus genomes】
研究显示108个GV基因组来自波罗的海，65个来自南极，地理分布呈现明显偏态。值得注意的是，从热液喷口200米深处回收的2个基因组拓展了GV的栖息范围。

【Genome statistics】
Algavirales基因组平均长度达362 kbp，显著大于其他目；Pandoravirales的GC含量最高（55%），而Algavirales最低（31.5%）。蛋白侧链氮原子数分析揭示Pandoravirales平均值达0.44，可能增加宿主氮负荷。

【Phylogeny-informed metabolic potential】
代谢网络分析显示Imitervirales编码22%谷氨酰胺合成酶和53%视紫红质蛋白，而Algavirales几乎完全缺失这些功能。COG注释揭示两目间67%功能基因存在特异性分布。

【New functionality found in GVMAGs】
在极地GV中发现的铁氧还蛋白还原酶（Ferredoxin reductase）和细胞色素b6f组件（PetM）等光合基因，首次将GV的"代谢劫持"能力扩展到完整光系统调控层面。

【Environmental factors associated with Baltic Sea GV】
曼特尔检验表明盐度（r=0.32）和细菌产量（r=0.28）是GV群落构建的关键因子，而Asfuvirales目与溶解有机氮（DON）显著相关（p<0.01）。

该研究通过建立目前最全面的海洋GV基因组资源库，揭示了病毒功能多样性与宿主生态策略的深层关联。特别是发现GV可能通过氮代谢基因（如谷氨酰胺合成酶）和光合元件（PsbY等）直接干预海洋碳氮循环，为建立"病毒-宿主-环境"三元互作模型提供了新依据。波罗的海GV群落的特殊分布模式，也为理解咸淡水生态系统病毒适应性进化提供了理想研究体系。这些发现将促使学界重新评估病毒在海洋物质循环中的权重，并为气候变化背景下的微生物群落响应预测奠定基础。