油藏病毒的全球多样性和生态功能

Article，2024-8-8，Nature Communications，[IF 14.7]

DOI：https://doi.org/10.1038/s41467-024-51101-6

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-51101-6

第一作者：安丽芸

通讯作者：吴晓磊，聂勇

主要单位：

四川大学建筑与环境学院

北京大学工学院

- 导读 -

油藏是地球深部的极端环境，具有高温、高压、高盐、高碱以及高疏水性的环境特点，但仍然有多种微生物生存。油藏微生物在重油形成、油藏酸化、CH4产生等方面发挥重要作用，广泛参与了深地生物圈的各种生物地球化学过程。最近研究表明油藏中也存在大量的病毒。病毒是地球上数量最丰富的生物实体，具有重要的生态功能，它可以通过裂解宿主、介导水平基因转移、调节宿主代谢等方式，在微生物群落演变及生物地球化学元素循环中扮演着关键角色。近年来，测序技术和生物信息的发展极大地促进了病毒生态学的发展。然而，有关油藏病毒多样性和生态功能的信息仍然很少。因此，我们对油藏病毒群落缺乏全面系统的了解。

2024年8月8日，北京大学工学院吴晓磊教授，聂勇副研究员团队在《Nature Communications》杂志在线发表了题为“Global diversity and ecological functions of viruses inhabiting oil reservoirs”的工作，论文第一作者为四川大学建筑与环境学院已毕业博士生安丽芸博士。该研究构建了一个包含3886个油藏病毒参考基因组（vOTUs）和7229个油藏原核微生物基因组的全球油藏微生物基因组目录。此外，通过结合微宇宙实验和生物信息学分析，该研究验证了病毒在异化硫酸盐还原微生物亚群落结构与功能调节中的生态作用。这项研究揭示了油藏中丰富的病毒多样性及其生态功能，对于全面了解病毒群落在深地生物圈生物地球化学循环中的作用具有重要意义。

- 主要内容 -

油藏原核微生物和病毒基因组目录

为了调查油藏中病毒的多样性和生态功能，该研究构建了油藏原核微生物和病毒基因组目录（图1a），该目录包含7,229个油藏原核微生物基因组和3,886个油藏病毒参考基因组（vOTUs）。通过解析vOTUs在科水平的分类注释，发现44.49%vOTUs不能被注释到科水平（图1c）。通过将vOTUs与IMG/VR v3数据库中的病毒做聚类分析，发现仅仅有5.20%的vOTUs与IMG/VR v3数据库中的病毒聚簇，该结果高度表明与其他环境的病毒相比，来自油藏的病毒具有较强的独特性。此外，该研究共识别到三个核心vOTUs，其存在于50%以上的样本中。大多数vOTUs（84.64%）的样地占据率低于10%，该结果表明油藏的病毒群落存在高度异质性。

图1 油藏生态系统病毒概述。

油藏病毒群落的生物地理分布

为了探索油藏中病毒群落的分布规律，该研究比较了不同来源油藏样本病毒群落的多样性和组成，发现不同地理位置的病毒群落组成存在显著差异（图2a），而且不同地理位置的病毒群落组成差异与样本的测序深度没有显著的相关性，因此，在大尺度下，地理位置可能是影响病毒群落的重要驱动因素。为了进一步探究地理距离对于病毒群落组成的潜在影响，该研究计算了病毒群落的距离衰减模式，发现病毒群落具有显著的距离衰减模式（图2b）。此外，为了进一步探讨驱动病毒群落分布规律的背后机制，该研究计算了病毒群落的构建过程，发现随机性过程在油藏病毒群落的构建过程中扮演着重要的角色（图2c）。除了非生物因素外，该研究还研究了影响病毒群落的环境因素，发现病毒群落的α多样性与pH、K+和Mg2+显著相关（图2d）。

图2 病毒群落的分布规律。

油藏病毒的多样性和独特性

为了研究油藏病毒和其他生态系统病毒之间的关系，该研究构建了油藏和其他生态环境病毒的基因共享网络。发现48.22%病毒簇（VCs）只存在于一个生态系统中，只有2个VCs在所有生态系统中都出现（图3a）。来自不同生态系统的病毒之间的共享基因较低，可能反映出病毒对栖息地的高度特异性。此外，该研究还构建了油藏和参考数据库病毒的共享基因网络，发现部分油藏病毒与已知的病毒分离类群聚在同一个簇，而且较少的油藏vOTUs与来自病毒代表数据库中分类地位已知的病毒聚集在一起，表明油藏病毒与已知的病毒具有较大的差异。此外，该研究发现部分油藏病毒独立成簇，可能是新的属，暗示油藏是一个独特的病毒种子库，油藏具有相当大的未探索的病毒多样性。

图3 油藏病毒的分类多样性。

油藏病毒编码的功能基因

该研究共获得322,060个非冗余基因簇，其中共有61.32%病毒基因簇的功能是未知的。在获得分类编号的基因中，占比相对较高的是复制、重组和修复类群（Replication, recombination and repair, L）以及转录类群（Transcription, K），这些功能与病毒的复制紧密相关，还有少量基因被注释到与代谢相关的类群中。通过预测完整/高质量病毒基因组编码的辅助代谢基因（auxiliary metabolic gene，AMG），该研究共获得105个与各种宿主代谢功能相关的AMGs，其中涉及钴胺素生物合成（cobS和cobT）的AMGs在油藏中分布最广泛（图4）。

图4 编码cobS和cobT病毒的基因组图谱。

油藏病毒与宿主的相互关系

为了进一步探究病毒对油藏微生物生态的潜在影响，该研究预测了病毒的宿主，预测的宿主MAGs跨越3个古菌门和37个细菌门（图5a）。病毒和原核微生物的相对丰度呈显著正相关（图5c），但是原核微生物的丰度和病毒与宿主的比例（VHRs）呈显著的负相关关系（图5d），这种现象与“piggybacking the winner”（PtW）模型相吻合。与烈性病毒相比，随着宿主细胞丰度的增加，温和病毒丰度的增长速度更快（图5e），而VHRs的降低速率更慢（图5f）。此外，随着宿主细胞丰度的增加，烈性病毒的比例在逐渐地下降（图5g），而且VHRs随着烈性病毒比例的增加而增加（图5h）。综上所述，以上结果表明油藏病毒通过PtW方式影响宿主。

图5 油藏中病毒与宿主的相互关系。

油藏病毒对硫代谢的调节作用

油藏中由硫酸盐还原菌介导的硫酸盐还原过程是一个普遍发生的代谢过程。该研究通过分析病毒与具有硫代谢能力宿主MAGs的相互关系，发现随着宿主丰度的增加，病毒的丰度逐渐地增加（图6a），VHRs逐渐地降低（图6b）。该现象与整体MAGs的丰度变化趋势相一致。然而，与整体相比，随着宿主丰度的增加，烈性病毒和温和病毒的丰度增加速率差异较小（图6c），这意味着烈性病毒可能对油藏原核微生物硫代谢的影响更大。烈性病毒与宿主MAGs的相关性均显著高于温和病毒（图6d）。而且，与其他硫代谢类型的宿主MAGs相比，烈性病毒和温和病毒与具有潜在异化硫酸盐还原能力的宿主MAGs之间的相关性均最强（图6e）。表明烈性病毒对油藏原核微生物硫代谢过程的调节具有相对更大的贡献，病毒可能通过top-down的调控机制，主要调控了油藏的异化硫酸盐还原过程，烈性病毒通过裂解硫酸盐还原菌，调控了油藏中硫酸盐还原菌的丰度。

图6 病毒对油藏硫循环的影响。

为了进一步研究油藏病毒对硫酸盐还原过程的影响，该研究进行了长达600天的微宇宙实验，发现high-VLPs微宇宙中硫化物的产量持续低于low-VLPs微宇宙。在T1时间点，low-VLPs微宇宙中的异化硫酸盐还原（M00596）能力被显著富集（图7c），而且在high-VLPs微宇宙中，参与异化硫酸盐还原的基因的丰度显著低于low-VLPs微宇宙（图7d）。该结果表明，VLPs的初始数量对微生物群落的异化硫酸盐还原过程有显著影响，病毒通过降低参与异化硫酸盐还原的基因丰度来降低硫化物产量。此外，该研究还发现病毒不仅仅抑制硫酸盐还原菌的生长，病毒还通过调控硫酸盐还原菌亚群落的结构减弱了硫化物的产量。

图7 微宇宙中宿主MAGs在不同门的分布。

- 结论与展望 -

综上，该研究基于NCBI数据库以及自测的油藏宏基因组数据，构建了油藏的病毒基因组目录，全面解析了油藏病毒基因组的结构及功能特征；揭示了油藏病毒群落的分布规律及群落构建机制；阐明了油藏病毒与宿主间的相互作用机制，并为病毒对油藏内微生物硫酸盐还原的实质性影响提供了证据。这些结果揭示了病毒及其宿主在油藏中的重要生态作用。

参考文献

An, L., Liu, X., Wang, J. et al. Global diversity and ecological functions of viruses inhabiting oil reservoirs. Nat Commun 15, 6789 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-51101-6

- 作者简介 -

四川大学建筑与环境学院安丽芸博士为本论文的第一作者，北京大学工学院吴晓磊教授和聂勇副研究员为该论文的共同通讯作者。本研究受到国家重点研发计划和国家自然科学基金资助。

通讯作者

北京大学工学院

聂勇

副研究员

北京大学工学院能源与资源工程系助理研究员。长期从事烷烃微生物代谢调控机制及微生物生态学研究。目前研究兴趣在于通过数学模型与实验手段结合研究微生物相互作用关系与群落时空演替的机制。主持国家自然科学基金青年基金、面上基金2项，承担“973”、“863”、国家重点研发计划、国家自然科学基金重大研发计划等子课题多项。已在ISME J, Appl. Environ. Microbiol., Mol. Mcirobiol.等期刊发表SCI论文近70篇，授权发明专利多项。

北京大学工学院

吴晓磊

长江学者特聘教授

吴晓磊博士，教育部长江学者特聘教授，“国家杰出青年科学基金”获得者，长期从事微生物资源发掘，微生物群落构建和定向调控，及其在人体健康、污染治理与环境修复、以及微生物采油等应用相关理论研究和技术开发应用工作。负责了国家自然科学基金、“863”、“973”、重点研发计划等项目或课题近50项。在Nature Communications, PNAS，ISME J，Molecular Microbiology, Environmental Microbiology, Applied and Environmental Microbiology等杂志发表论文180多篇，申请或获得国家发明专利近40项，产业转化专利1项。