识别病毒从海洋微生物中窃取的基因

循环海洋营养物质的微生物并不是独自完成这项工作的——感染它们的病毒也会影响这一过程。这对地球其他部分来说是一项至关重要的工作，它使海洋能够吸收大气中一半的人类产生的碳，并产生我们呼吸的一半氧气。

一项新研究让科学家们更全面地了解病毒在全球海洋营养物质循环图景中的位置，例如氮、磷和特别令人感兴趣的碳。这项研究广泛扩展了20年前的一项发现，即病毒和它们感染的光合细胞之间可以交换基因，并整合了随后100多篇关于病毒和新陈代谢的论文的数据。

由俄亥俄州立大学领导的研究小组在《微生物组》杂志上报告了他们创建的一个基因目录，这些基因是病毒从它们感染的全球所有海洋的海洋微生物中“窃取”的。科学家们识别并整理了近23,000个被称为辅助代谢基因(AMG)的基因，其中包括7,000多个以前从未记录过的基因。分析表明，大约五分之一的海洋病毒种群携带至少一种AMG。

为了进一步了解病毒的作用，研究人员绘制了340条归因于海洋微生物的代谢途径——这些途径是由于生物体根据其生存需要消耗和产生分子而导致营养平衡发生变化。其中，科学家发现病毒AMG映射到128条途径——这意味着病毒影响了超过37%的这些过程。

“我们仍然不知道病毒影响的程度。但现在我们知道了病毒通过AMG靶向的途径，我们可以使用代谢建模方法来定量评估病毒对宿主群落和海洋功能的影响，”第一研究作者田福宁(FuningTian)说道，他在俄亥俄州立大学攻读微生物学博士学位期间完成了这项工作。

“未来的建模工作可能涉及增加或减少通过这些途径发生的代谢通量，并观察病毒的影响如何变化。”

田和她的共同作者、前俄亥俄州立大学微生物学博士后学者詹姆斯·瓦伊纳纳(JamesWainaina)专注于感染原核生物的DNA病毒：漂浮在世界各地海洋中的细菌和其他单细胞生物。

詹姆斯·瓦伊纳纳

Wainaina和Tian是该实验室的成员，该实验室由该研究的资深作者MatthewSullivan领导，他是俄亥俄州立大学微生物组科学中心的创始主任、微生物学教授。

沙利文曾担任塔拉海洋联盟的病毒协调员，该联盟是一项为期三年的全球研究，旨在研究气候变化对世界海洋的影响。作为这项国际合作的一部分，他领导了之前的工作，对海洋中近20万种DNA病毒和5500种RNA病毒进行了分类，并确定了病毒缓解气候变化的潜力。

Tian和Wainaina在本研究中分析了7.6TB的TaraOceans宏基因组序列数据，将已知的海洋DNA病毒种群增加到579,904个。从这些种群中，该团队采取了许多计算步骤来识别位于病毒基因组中的辅助代谢基因。

他们保守地鉴定出总共86,913个AMG，这些AMG可分为22,779个基于序列的基因簇。其中7,248个是首次鉴定的。病毒从它们感染的微生物细胞中提取这些基因，并将其整合到自己的基因组中，从而使它们能够以一种确保病毒存活的方式重新编程宿主细胞的功能。

“辅助代谢基因的挑战在于人们知道它们的存在，但该基因与细胞拷贝相似——这使得区分病毒拷贝和微生物拷贝变得非常重要，”Wainaina说。

田说：“为了最大限度地减少假阳性，我们采取了管理措施，以确保我们只关注病毒基因组片段上的AMG。”

然后，他们进一步分析基因组数据，确定代谢途径(每一条途径都是一系列改变细胞功能的相关活动)，这些途径可以追溯到特定的微生物物种，揭示了340条这样的途径。通过新的“被盗”基因目录，研究人员发现，其中128条途径是病毒AMG的靶向途径。

“这是我们的重大发现，”田说。“在发表这篇论文之前，我们还不知道全球海洋中微生物编码了多少种代谢途径，甚至不知道其中有多少种代谢途径是病毒通过AMG攻击的。”

Wainaina补充道：“这不仅关乎数量，还关乎病毒参与的具体途径——这决定了病毒在海洋中重新编程和操纵的生物地球化学循环。”

沙利文说，AMG目录和代谢途径图为微生物组工程实验和建模提供了基础，这将有助于研究人员更准确地预测病毒在海洋生物地球化学过程中的作用。

“目前大多数模型根本不包括病毒，只有一些模型包括微生物，”他说。“令人兴奋的是，我们生成的这些数据对于将病毒及其影响纳入新的预测模型至关重要。”

这项工作得到了美国国家科学基金会、戈登和贝蒂摩尔基金会、加拿大自然科学与工程研究委员会、加拿大创新基金会、G.UngerVetlese和AmbroseMonell基金会以及俄亥俄州超级计算机中心的支持。