病毒在微生物死亡率、多樣性和生物地球化學(xué)循環(huán)中發(fā)揮著重要作用。地下水是全球最大的淡水，也是地球上最貧營(yíng)養(yǎng)的水生系統(tǒng)之一，但在這個(gè)特殊的棲息地中微生物和病毒群落是如何形成的尚未被探索。本次經(jīng)典文獻(xiàn)分享給大家?guī)?lái)，宏基因組+宏病毒組+Hi-C測(cè)序揭示地下水病毒組全貌。

期刊：Journal of Hazardous Materials?

影響因子：13.6

發(fā)表時(shí)間：2023年6月

一研究方法及思路

1

研究樣本

? ? ? ?銀川平原23-60 m地下水（4個(gè)位點(diǎn)），過(guò)0.22um濾膜，收集濾膜并抽提DNA樣本。

2

測(cè)序方法

● 宏基因組Illumina 測(cè)序；

●?宏病毒組Illumina + Nanopore ；

● Hi-C輔助病毒宿主預(yù)測(cè)。

1.

病毒序列在宏基因組與宏病毒組數(shù)據(jù)中的分布

在宏基因組和病毒基因組中，分別回收到1402個(gè)和683個(gè)長(zhǎng)度＞5 kb的v-contigs。二代+三代測(cè)序數(shù)據(jù)混合組裝使v-contig長(zhǎng)度提高一倍(圖1b)。宏病毒組數(shù)據(jù)集中映射的病毒reads數(shù)大于宏基因組(圖1c)。v-contigs的完整性高于人類腸道微生物群的完整性，病毒組中高質(zhì)量和中質(zhì)量病毒占比更高(圖1d)。t-SNE表明病毒組和宏基因組的病毒分布不同，說(shuō)明病毒的分析需要結(jié)合這兩種策略。去冗余后獲得1920個(gè)v-contigs進(jìn)行下游分析。

2.

?地下水病毒群多樣性及分布

基于蛋白質(zhì)序列同源性，對(duì)1920個(gè)v-contigs進(jìn)行聚類生成病毒簇（VC），48.7%的v-contigs聚集在454個(gè)VC中。根據(jù)集群中RefSeq病毒的分類信息推斷VCs的系統(tǒng)進(jìn)化親緣關(guān)系，只有27個(gè)VC可以被分類(圖2a)。說(shuō)明地下水中存在大量未知病毒。計(jì)算每個(gè)位點(diǎn)454個(gè)VC的豐度，發(fā)現(xiàn) VC在各位點(diǎn)的分布均受到環(huán)境因素的影響，普氏分析表明病毒群落與細(xì)菌群落顯著相關(guān)（圖2b）。

3.

地下水系統(tǒng)中的病毒-宿主聯(lián)系

同源性搜索+CRISPR匹配+Hi-C測(cè)序，共同預(yù)測(cè)病毒-宿主關(guān)系。469個(gè)VC預(yù)測(cè)到宿主，范圍包括19門29綱69目(圖3a)。在綱水平上對(duì)同一宿主相關(guān)的 VC豐度進(jìn)行求和，通過(guò)Spearman分析發(fā)現(xiàn) VC豐度與宿主高度相關(guān)(圖3b)。

研究發(fā)現(xiàn)部分VC具有廣泛的宿主范圍，該特征為噬菌體與宿主相遇提供了更大的機(jī)會(huì)，也促進(jìn)了輔助代謝基因（AMGs）的水平基因轉(zhuǎn)移能力。Hi-C方法檢測(cè)到了大多數(shù)寬宿主范圍，突出了該方法在揭示病毒-宿主相互作用方面的優(yōu)勢(shì)。

4.

病毒中的AMGs

為了研究地下水病毒的生態(tài)功能，使用VIBRANT鑒定到336個(gè)病毒AMGs。其中有一些位點(diǎn)特異性AMGs，例如，來(lái)自深層樣本中存在與氧敏感的嘧啶代謝和生物合成的AMG。這些特異性AMGs可能有利于病毒在這種寡營(yíng)養(yǎng)環(huán)境中更好地生存。在AMGs的前20個(gè)功能分類中，有10個(gè)分類與生物合成過(guò)程有關(guān)(圖4b)。圖4c為人工篩選的與生物合成相關(guān)的AMGs。

5.

地下水病毒與其他水系病毒的差異

為了揭示v-contigs的普遍性和差異性，將本研究中的地下水病毒與海洋（marine）、污水處理廠（WWTP）、其他地下水（other GW）中的病毒進(jìn)行了比較。網(wǎng)絡(luò)分析顯示出明顯的病毒棲息地特異性，90.5%的v-contigs只屬于一個(gè)棲息地(圖5a)。地下水病毒的GC含量與污水、海洋水系不同。這些結(jié)果表明地下水生態(tài)系統(tǒng)中的病毒更為相似，呈現(xiàn)出與污水處理系統(tǒng)和開放海洋中的病毒不同的基因組和功能特征。

6.

地下水病毒的獨(dú)特性

將本研究和其他地下水研究中的病毒合并(標(biāo)記為GW)。t-SNE分析顯示出明顯的棲息地驅(qū)動(dòng)的聚類，表明病毒存在棲息地特異性(圖6a 6b)。

通過(guò)SOM聚類將GW、WWTP和marine的V-contigs分為20組，它們?cè)诓煌纳持械呢暙I(xiàn)度差異很大(圖6c)。與其他組相比，GW特異性病毒不能被VConTACT2分類，并且它們被KEGG(圖6d)和AMG標(biāo)記的蛋白質(zhì)較少，進(jìn)一步表明GW存在大量未知病毒。

三研究結(jié)論?

? ? 本研究通過(guò)二代、三代測(cè)序構(gòu)建宏基因組與宏病毒組，應(yīng)用Hi-C、CRISPR和同源性搜索對(duì)病毒-宿主對(duì)進(jìn)行預(yù)測(cè)，1920種病毒中有469種非冗余病毒與宿主關(guān)聯(lián)。一些特殊AMGs的發(fā)現(xiàn)有助于探索地下水病毒的生態(tài)作用?？傊狙芯繑U(kuò)展了當(dāng)前對(duì)全球病毒記錄的了解，為更全面地了解地下水中的病毒奠定了基礎(chǔ)。

閱讀原文
Virus impacted community adaptation in oligotrophic groundwater environment revealed by Hi-C coupled metagenomic and viromic study.Journal of Hazardous Materials.2023