本研究展示了病毒群落对土壤微生物生态学的重要性，并且病毒可以为污染土壤的生态修复提供新思路。
病毒通过宿主细胞裂解释放有机碳和营养物质，影响生物地球化学循环。除了核心病毒基因（即编码病毒结构蛋白的基因）外，它们还编码各种辅助代谢基因（auxiliarymetabolicgenes,AMGs），有助于细菌宿主的代谢能力和存活。与海洋生态系统中病毒群落的研究相比，病毒AMGs在土壤中的多样性和功能作用尚不清楚。
年1月17日，生态学领域著名期刊《TheISMEJournal》正式刊出了南京农业大学资源与环境科学学院胡锋教授团队的最新研究成果《Organochlorinecontaminationenrichesvirus-encodedmetabolismandpesticidedegradationassociatedauxiliarygenesinsoilmicrobiomes》。该研究通过宏基因组和宏病毒组测序技术研究了噬菌体编码的辅助代谢基因在有机氯农药(OCP)污染土壤中的富集机制。随着农药胁迫的升高，噬菌体群落编码与农药降解的辅助代谢基因的多样性及丰度显著增加。通过基因合成与表达试验验证病毒编码的L-2-卤酸脱卤酶基因(L-2-haloaciddehalogenasegene,L-DEX)具备降解L-2-卤酸农药前体的能力，从而在亚抑制农药浓度下改善细菌生长。研究结果为探明病毒群落协助宿主抵御土壤中农药污染逆境胁迫的过程与机制提供了新的科学认知。
硕士生郑晓璇为第一作者，孙明明教授与约克大学Ville-PetriFriman副教授为共同通讯作者。胡锋教授、朱永官院士等参与指导了该项研究。
结果
1.OCP污染土壤中的细菌群落
本研究在OCP工厂附近采集了三个无污染土壤样本和六个OCP污染土壤样本，宏基因组分析结果表示无污染土壤样本中以变形杆菌（34.7%）和酸杆菌（22.5）为主，相比之下OCP污染土壤样本中的变形杆菌（49.2%）相对丰度增加，但酸杆菌（2.8%）的丰度明显下降（图1.a）。OCP污染土壤中的细菌群落丰富度降低的同时群落均匀度增加，说明OCP污染显著改变了土壤微生物群落结构（图1.C），但轻度OCP污染和重度OCP污染土壤之间没有显著差异（图1.d）。
图1.无污染与OCP污染土壤的细菌群落结构分析
2.OCP污染土壤中的病毒群落
本文使用宏病毒组分析方法共组装得到条病毒contig后聚类得到个vOTU，取长度大于10kb的vOTU序列进行蛋白聚类共得到个病毒簇（VC）。利用从无污染土壤样本、OCP污染土壤样本和NCBIRefSeq数据库分离的VC进行venn图分析，发现所有土壤样本与NCBIRefSeq数据库的共有VC仅有39个，表明目前可培养的病毒只占土壤样本的一小部分（图2.a）。虽然无污染和OCP污染土壤样本之间有96个共有VC，但仅在OCP污染土壤样本中检测到个特有VC，说明OCP污染使土壤的病毒群落多样性提高（图2.a和b）。与无污染土壤样本相比，OCP污染土壤样本中未注释病毒的相对丰度更高，并且有多个病毒家族仅存在于OCP污染土壤样本中（图2.d）。
图2.无污染与OCP污染土壤的病毒群落结构分析
3.病毒编码的AMGs参与农药降解
为了探索病毒对细菌群落生态的影响，本研究对无污染和OCP污染土壤中的细菌和病毒序列进行了功能比较分析。基于KEGG数据库的注释结果发现所有土壤样本中的细菌功能基因的丰度组成相似（图3.a），而大部分病毒基因无KEGG注释结果。基于CAZy数据库的注释结果发现所有土壤样本中细菌编码的代谢相关的CNPS基因的多样性和相对丰度没有显著差异，但与无污染土壤样本相比，OCP污染土壤中病毒编码的代谢基因多样性和丰富度更高（图3.b）。
图3.无污染和OCP污染土壤中细菌和病毒编码基因的功能注释分析
为了评估病毒在细菌代谢中的作用，选择了部分参与养分转化和农药降解的病毒基因用于土壤细菌群落代谢途径分析中。经过筛选得到的个与农药降解相关的基因中，其中有两类病毒基因是仅在OCP污染土壤样本中发现的，分别是乙醛脱氢酶（ALDH）和L-2-卤代酸脱卤酶。为了更精细化地分析病毒序列中乙醛脱氢酶（ALDH）和L-2-卤代酸脱卤酶这两个基因，使用了CheckV和VIBRANT检测病毒基因的完整和位置，发现两个基因的两侧都有病毒基因（图4.a）。为了验证病毒编码的L-2-卤代酸脱卤酶（L-DEX）活性，将合成的L-DEX基因克隆至pET-32a（+）质粒中，然后通过化学转化至大肠杆菌中进行表达，并在蛋白胶图中证明其存在（图4.b）。将L-DEX纯化后进行一氯乙酸(MCA)和S(L)-2-氯丙酸(S-2-CPA)降解实验，发现孵育24h后，S-2-CPA浓度下降了37.8%（图4.c）。
图4.病毒编码农药降解基因的功能验证
总结
众所周知，有机氯农药毒性高，降解缓慢且易在食物链中积累，因此鉴定功能性生物降解基因和相关微生物群落具有重大的生物技术应用意义。本研究展示了病毒群落对土壤微生物生态学的重要性，并且病毒可以为污染土壤的生态修复提供新思路。
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