Science：全球海洋RNA病毒的多样性和生态足迹 -海洋病毒的特点

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l 导语

DNA病毒日益被认为影响海洋微生物和微生物介导的生物地球化学循环。然而，人们对全球海洋RNA病毒多样性、生态学和生态系统作用知之甚少。来自Science的一项新研究揭示了海洋RNA病毒群落和“物种”级多样性的模式和预测因子，并将其生态影响从两极到两极进行了背景分析。分析揭示了RNA病毒的四个生态区、纬度和深度多样性模式以及环境相关性。结果发现仅部分与共采样浮游生物的结果平行，并显示出出人意料的高极性生态相互作用。RNA病毒对生态系统的影响似乎很大，因为预测的宿主在生态学上很重要。此外，辅助代谢基因的出现表明，RNA病毒导致多种宿主代谢的重新编程，包括光合作用和碳循环，并且RNA病毒的丰度预测海洋碳输出。 * }/ M; h! z, j1 v) t

l 要点

病毒被怀疑是生态系统功能的关键，但到目前为止，我们只能猜测其重要性。DNA病毒越来越被认为是海洋生物地球化学循环的重要组成部分。Dominguez-Huerta等人通过从塔拉海洋样本中提取病毒序列，探索了海洋RNA病毒发生的全球模式。宿主预测分析确定了主要的原生宿主和真菌宿主以及一些无脊椎动物。与双链DNA病毒及其宿主一样，RNA病毒显示出明显的深度限制，但纬度变化很小。RNA病毒组中的辅助代谢基因表明，一些真核生物的浮游生物过程受到病毒的影响。一组11种RNA病毒对海洋碳通量有显著影响。 + J! d: ^1 w# h6 O$ R

Figure 1 跨域全球海洋浮游生物采样和由此产生的RNA病毒meta群落。

在本研究之前，还没有对真核生物或真核RNA病毒进行这些生态区分析。同样在以前，真核浮游生物在海洋表面生物群落和层之间的迁移，被认为会侵蚀这些生态区之间的边界。最近的真核生物数据挑战了这一假设。对可能大规模驱动群落结构的生态参数的调查表明，温度本身可以解释沿第一排序轴的大多数RNA病毒群落组成变化（图1C）。其他生态驱动因素，包括氧气、深度和养分可用性，可能会影响浮游生物群落组成，但这些因素通常随温度而变化。在这些之前的地理限制研究中，采样有限导致了以下假设：深度是浮游生物群落组成的主要驱动力。现在有了全球数据，很明显，温度变化可能会推动非极地地区的分层，并选择极地地区的冷适应群落。温度驱动的RNA病毒群落组成补充了双链DNA病毒、原核生物、真核生物及其相互作用。RNA（本研究）和双链DNA病毒多样性模式的比较显示出高度一致的大规模模式，包括先前确定的北冰洋（ARC-H和ARC-L）高多样性和低多样性区域（图2）。使用系统生物学网络分析框架解释了共线性，以将环境因素维度减少为更少的环境“模块”（图3）。RNA病毒的这一生物学特征和其他生物学特征，如其较短且进化速度较快的基因组、较高的爆发大小、裂解的生活方式和真核宿主，被假设为驱动与双链DNA病毒的病毒宿主相互作用和生态系统影响差异。基于已知RNA病毒生物学特性的模型也支持这一观点。研究者认为，尽管在大范围内高度一致，但多样性模式的小范围差异也源于RNA和双链DNA病毒的不同生物学特征。 1 K) D+ U- L9 ~" T9 m

Figure 2 RNA和DNA病毒“物种”水平的多样性表现出大规模的一致性。

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Figure 3 海洋RNA病毒的“物种”级多样性相关性

l 小结

几十年来，广泛的研究集中在浮游生物动力学和活动上，以推断浮游生物和碳输出之间的成对联系，包括最近对病毒的实验研究。由于这些开创性的研究集中在狭窄的地理范围或海洋省份，因此本研究试图通过利用统一的塔拉海洋战略对浮游生物和下沉颗粒物进行采样来探索全球海洋信号，以广泛调查海洋状况和共系统生物群。因此，尽管受到单时间点或“快照”采样的限制，但将这些测量与稳健的统计框架（即基于网络、交叉验证、多变量感知的相关分析）相结合，使统计探索能够建立有关关键生态系统参与者的假设。为此，可以利用假设相互作用的背景，而不是使用经典研究中更传统的成对相关性（例如，特定分类群成员和生态系统输出）。值得注意的是，之前的塔拉研究已经揭示了原核和真核DNA病毒的丰度，为估计碳输出提供了生物代理，甚至有一项研究确定了真核病毒丰度可以预测碳输出效率。然而，这里介绍的RNA病毒多样性和丰度分析代表了主要的进展：（i）生态单元和丰度计算方法（从重叠群到高质量基因组）得到了广泛的评估，并发现其稳健，适合敏感的生态分析；（ii）本分析完全由RNA病毒组成，因为捕获的数据比真核双链DNA病毒多25倍（iii）分析包括对碳输出至关重要的极地水域。总之，这些发现为研究自然界中的RNA病毒提供了路线图，也为RNA病毒在海洋生态系统中发挥重要作用提供了证据。文献来源：1.Diversity and ecological footprint of Global Ocean RNA viruses，Science，2022 5 a% R9 \0 \. W/ N ( v0 Y# }4 K0 W4 g & m. t( r7 F4 t) A; L& I