北极苔原土壤中酸杆菌门病毒的多样性与生态功能研究

《Microbiome》：Tunturi virus isolates and metagenome-assembled viral genomes provide insights into the virome of Acidobacteriota in Arctic tundra soils

本研究聚焦北极苔原土壤中酸杆菌门病毒的多样性与生态功能，通过分离病毒并结合宏基因组分析，揭示了其在生态系统中的重要作用，为理解北极土壤微生物群落动态及碳氮循环提供了新视角。

　　北极苔原地区的土壤是全球气候变化的关键区域，其中微生物在营养循环过程中发挥着至关重要的作用。酸杆菌门（Acidobacteriota）是北极苔原土壤中丰富且活跃的细菌类群，然而，关于感染酸杆菌门的病毒，尤其是北极地区的相关病毒，目前了解甚少。为了填补这一知识空白，芬兰赫尔辛基大学的研究人员开展了一项研究，旨在深入探究北极苔原土壤中酸杆菌门相关病毒群落的多样性及其与宿主微生物之间的相互作用。

北极地区储存了大量碳和氮，随着气候变暖，这些元素可能会释放出来，对全球气候产生深远影响。尽管北极土壤环境看似恶劣，但其中的微生物群落却十分多样且活跃，它们参与土壤有机质分解和温室气体循环。已有研究表明，北极土壤微生物群落的组成和功能会随着冻土融化而发生变化。然而，北极地区地域广阔且环境多样，目前对于微生物对气候变化的响应，包括北极冻土释放的土壤碳和氮的增加，还缺乏足够的研究。尤其是土壤病毒在生态系统范围内的循环过程中的贡献，相较于水生环境，更是鲜有研究。土壤病毒丰富多样，对宿主微生物有多种影响，通过裂解微生物细胞间接影响土壤中的生物地球化学循环。

为了深入研究北极苔原土壤中感染酸杆菌门的病毒，研究人员采用了依赖培养和不依赖培养的方法。他们从芬兰北部的基尔皮耶尔维（Kilpisj?rvi）地区的北极苔原土壤中分离出五种新的病毒，命名为Tunturi 1-5。这些病毒的宿主是来自同一地区的Tunturiibacter spp.菌株。研究人员还从同一批土壤样本的宏基因组中预测出1881个病毒操作分类单元（vOTUs），其中125个vOTUs被预测为感染酸杆菌门的宿主。这些酸杆菌门相关的vOTUs在不同地点的样本中都很丰富，尤其是在泥炭地。

研究人员通过电子显微镜观察到，Tunturi 1-3病毒具有短非收缩尾（podo-）形态，Tunturi 4具有长非收缩尾（sipo-）形态，而Tunturi 5则是具有长收缩尾（myo-）形态的巨型噬菌体。这些病毒的基因组长度从63到309 kbp不等，其中Tunturi 5的基因组是目前已知的巨型噬菌体之一。在Tunturi病毒基因组中，超过一半的开放阅读框（ORFs）功能无法预测，这表明北极土壤中存在大量未知的病毒基因。

通过对宏基因组数据的分析，研究人员发现，Kilpisj?rvi地区的土壤样本中，几乎所有的vOTUs（98%）都被归类为有尾噬菌体类群（Caudoviricetes）。这些vOTUs中，有相当一部分与酸杆菌门的宿主相关，且在泥炭地样本中尤为丰富。此外，研究人员还发现了一些与酸杆菌门相关的前病毒序列，这些序列与来自遥远土壤和其他生物群落的前病毒序列相似，表明酸杆菌门病毒在不同土壤中可能存在一些共享的病毒群组。

本研究为未来的研究提供了酸杆菌门病毒分离物作为实验室模型，并增加了对北极苔原土壤中与酸杆菌门相关的病毒群落多样性的认识。预测的病毒-宿主联系和病毒基因功能表明病毒与其宿主微生物之间存在各种相互作用。在分离物和宏基因组组装的病毒基因组中存在大量未知序列，这突显了需要对北极土壤进行更广泛的采样，以更好地理解病毒功能及其对北极生态系统范围内的循环过程的贡献。

在技术方法方面，研究人员首先从北极苔原土壤中分离病毒，通过电子显微镜观察病毒形态，并对其基因组进行测序和注释。同时，他们利用宏基因组学方法分析土壤样本中的病毒序列，预测病毒操作分类单元（vOTUs），并将其与潜在宿主微生物进行关联分析。此外，研究人员还通过生物信息学工具对病毒基因组进行功能预测和进化分析，以揭示病毒与宿主之间的相互作用及其在生态系统中的作用。

在研究结果方面，研究人员成功分离出五种新的病毒（Tunturi 1-5），并对其形态、基因组特征和宿主范围进行了详细描述。这些病毒具有不同的尾部形态和基因组大小，表明它们在进化上具有多样性。通过对宏基因组数据的分析，研究人员预测出1881个vOTUs，其中125个与酸杆菌门宿主相关。这些vOTUs在不同土壤样本中的分布存在差异，尤其是在泥炭地和草甸样本中。此外，研究人员还发现了一些与酸杆菌门相关的前病毒序列，这些序列在不同环境中具有一定的保守性。通过对病毒基因组的功能预测，研究人员发现了一些可能参与碳、氮循环的辅助代谢基因（AMGs），这表明病毒可能在北极土壤生态系统的生物地球化学循环中发挥重要作用。

在结论和讨论部分，研究人员指出，本研究提供了北极苔原土壤中酸杆菌门病毒的首个分离物，并揭示了其在生态系统中的潜在作用。这些病毒的发现不仅丰富了我们对北极土壤病毒多样性的认识，还为研究病毒与宿主微生物之间的相互作用提供了新的视角。此外，研究人员还强调了对北极土壤病毒进行更广泛采样的必要性，以便更好地理解其在生态系统中的功能和贡献。通过对病毒基因组的深入分析，研究人员希望能够开发出针对酸杆菌门的遗传工具，从而为研究北极土壤微生物群落的动态变化及其对气候变化的响应提供新的方法和思路。总之，本研究为理解北极苔原土壤中病毒的生态功能和多样性提供了重要的基础数据，并为未来的研究开辟了新的方向。