作者：何奕霖，南京农业大学硕士在读，主要研究噬菌体与根际健康。
周刊主要展示LorMe团队成员优秀周报，每周定期为您奉上学术盛宴！本期周刊为您介绍不同的病毒-宿主动态模型，原文于2023年发表在《Nature Ecology & Evolution》上。作为土壤营养网络的核心成员，病毒具有引发微生物死亡和促进养分循环的潜力。然而，在时空高度异质的土壤环境中，如何准确评估病毒对陆地生态系统过程的影响仍然具有挑战性。在地中海草地上，季节性干旱后的第一次降雨提供了一个重置生态系统的机会，在可控窗口期内触发微生物活动。本研究通过模拟四种不同干旱草地土壤微观环境中的降水，组装了144个病毒组、84个宏基因组和84个16S rRNA基因扩增子数据集，以描述10天内病毒、原核生物和残存DNA的动态变化。不同土壤中的病毒群落遵循着非常相似的演替轨迹。湿润条件触发了病毒丰富度的显著增加，并伴随着广泛的组成变化。原核生物群落的时间演替则较不明显，表明病毒组和总DNA所捕捉到的活动尺度可能存在差异。然而，干旱土壤中放线菌门和变形菌门的相对丰度差异与其预测的噬菌体相吻合，表明病毒对优势细菌类群存在捕食关系。再湿润还迅速消耗了残存的DNA，但随后DNA会重新积累，这表明在湿润后的几天内发生大量新的微生物死亡，尤其是那些可能受到噬菌体捕食的类群。病毒颗粒通过微生物宿主细胞裂解产生丰富多样性，这似乎是土壤再湿润早期响应的一个保守特征，存在“部分捕杀优胜者”动态的潜力，即病毒会侵染和削减但不消灭优势宿主种群。
数据集概述和关键特性
作者于2020年旱季末在加利福尼亚北部的地中海气候带采集了4个草地生境近地表土壤(图1 a)。在10天的时间内，作者对微生态系统进行了七个时间点的破坏性采样：T0（干燥状态）和T1-T6（分别为湿润后的24、48、72、120、168和240小时），此外还对未湿润的对照微生态系统进行了10天后的采样（图1 b）。为了研究土壤病毒群落对回潮的短期动态响应，作者比较了湿润后细菌和病毒群落以及残存DNA的时间模式，并组装了144个病毒组和84个总宏基因组（图1 c），以及84个16S rRNA基因扩增子谱。根据映射到病毒操作分类单元(vOTUs)和宏基因组组装基因组(MAGs)的读数比例，作者发现三种组学样本类型呈现出病毒含量最高的是DNase处理过的病毒组，其次是未经处理的病毒组，宏基因组样本的病毒含量最低，而原核生物的含量则呈相反的趋势(图1 d)。病毒和原核生物的群落在四种土壤类型中差异最为显著(图1 e)，90%的vOTUs和50%的MAGs仅在其中一种土壤类型的微生物体系中被发现。这些群落组成的最小重叠部分证明了作者捕获了具有显著差异的草地土壤生境。图1 数据集概述
湿润增加了病毒的丰富度，其变化幅度与过去的降雨有关
尽管土壤组成存在差异，病毒群落对湿润的反应却非常相似。对于四种类型土壤，再湿润24小时内显著增加了病毒的丰富度（图2 a）。相比之下，原核生物（MAG）的丰富度在湿润过程中相对不变，并在整个10天的实验中保持稳定（图2 a）。经过DNase处理的病毒DNA在湿润后的四种土壤中均增加，表明病毒颗粒的丰度普遍增加（图2 b）。不同类型土壤在湿润后病毒丰富度的增加程度不同，这可能与样本采集前的降水模式有关。两种Jepson土壤在湿润后24小时内检测到的vOTUs增加了超过30倍，而Hopland和McLaughlin土壤仅增加了约两倍（图2 a）。在干燥土壤中，Hopland和McLaughlin的病毒丰富度明显高于Jepson（图2 a），且通过病毒组学DNA产量测量可能拥有更多的病毒颗粒（图2 b）。Jepson在样本采集前208天没有大雨，而Hopland和McLaughlin在样本采集前74天有超过5毫米的降雨。Jepson的较长干燥期可能耗尽了前一个雨季的病毒，而Hopland和McLaughlin干燥土壤中更高的病毒丰富度可能是由夏季降雨引发的病毒爆发所致。 鉴于两种干燥土壤的病毒DNA产量均低于检测限度，并且在干燥土壤中未检测到再润湿后观察到的81%的vOTUs，作者假设病毒颗粒可能不是土壤病毒种群的主要旱季储存库。为了探究原噬菌体是否是潜在的储存库，作者通过检测与vOTUs相邻的宿主区域以及存在整合酶和/或切除酶基因，并将vOTUs分类为潜在的温和噬菌体。这些是常见的鉴定温和噬菌体的方法，但不完整的病毒基因组和/或不同的序列可能导致低估温和噬菌体的普遍性。在四种土壤中，潜在的温和噬菌体仅占vOTUs的9.9％，其相对丰度保持在13.8％以下，这表明在湿润过程中产生的大多数vOTUs不具备溶原能力。因此，原噬菌体和游离病毒颗粒的存在都不能很好地解释高度多样化的病毒群体能够在干旱季节的存活。图2 丰富度和病毒DNA产量随时间序列的变化
病毒群落表现出明显的时间演替
对于每种土壤类型，湿润后病毒丰富度出现了初期的激增，随后在9天内发生了组成演替（图3 a）。在所有情况下，干燥土壤与湿润后的时间点之间的病毒群落组成差异最为显著。湿润后24小时，湿润土壤显示出稳定的病毒β多样性变化，这种变化在不同土壤的生物学（不同土壤）和技术（三个微生物群落重复）重复实验中得到了复制，并且对样品处理的差异（DNase处理和未处理的病毒组）具有鲁棒性。简而言之，土壤病毒群落的广泛周转是湿润后动态的可重复性特征。为了研究原核生物群落的组成，作者使用了来自总DNA的MAGs和16S rRNA基因扩增子谱。尽管每种类型的干燥和湿润土壤之间的原核生物（MAG）群落组成发生了显著变化，但相对于病毒群落而言，湿润后的时间点之间的转变（β多样性的变化）并不显著。平均而言，每个土壤中有82％的MAGs在湿润后的六个时间点中恢复，而vOTUs仅有35％。原核生物和病毒群落在时间上的转变程度的差异可通过湿润后24小时和10天之间的群体重叠来体现，MAGs为73％，而vOTUs仅为15％。对于病毒和原核生物而言，Bray-Curtis相似性与时间距离显著负相关。在所有情况下，病毒群落的时间距离-衰减关系比原核生物群落更显著，平均而言，病毒群落的转变率是原核生物群落的8倍（图3 c）。这一结果揭示了土壤中病毒与其原核生物宿主之间更显著的空间和时间转变。图3 四种土壤类型中病毒群落与原核生物群落的演替格局
分类学上动态保守，优势菌为猎物
土壤中病毒群落的广泛变化表明存在一种保守的、基于特征的病毒响应模式。作者鉴定了6220个病毒操作单元（vOTUs），它们DNase处理的病毒组中的丰度在不同时间点存在显著差异，并将其分为三个特征组：干燥优势（在干燥土壤中丰度高，在湿润后减少）、早期响应者（在湿润后24-48小时达到高峰）和晚期响应者（随着时间的推移而增加）（图4 a）。由于不同土壤类型的病毒群落组成的重叠较小，这些具有时间动态的vOTUs大多数只在单一土壤中检测到，仅有215个（3.5%）在多个土壤中检测到。在这些多土壤、时间动态的vOTUs中，93%被归类为相同的特征组，表明物种水平上病毒响应在不同土壤中是一致的。作者调查了湿润过程中是否存在保守的病毒响应，并探索了更高分类水平上的病毒-宿主动态。通过对所有土壤样本的11,533个vOTUs进行网络分析，作者发现在预测的蛋白质内容上存在显著重叠，反映了基因组相关性。超几何检验揭示了蛋白质共享网络的不同区域在每个特征组中的显著过度或不足表示(图4 b)，表明基因组相关的vOTUs在湿润过程中的响应趋于相似，而不受土壤类型的影响。此外，通过宿主的分类分配，作者观察到特征组之间预测宿主的显著变化(图4 c)，表明干旱土壤条件下噬菌体优先感染放线菌，而再湿润后感染和溶解变形菌的噬菌体增加。接下来，作者评估了预测宿主的病毒时间趋势是否与宿主本身的趋势相匹配。与vOTUs相比，MAGs在时间点上的检测更加一致，因此将它们分为两个时间特征组：干燥优势（在干燥的土壤中丰富）和湿润响应（在干燥土壤中减少，在湿润土壤相对丰富）（图4 a）。与干燥土壤中更多的假定放线菌噬菌体和较少的假定变形菌噬菌体一致，干燥优势的MAG组中有显著更多的放线菌和显著较少的变形菌（图4 c）。相似的，再湿润后越来越多的假定变形杆菌噬菌体与湿润反应组中变形杆菌MAGs的过度代表相一致。因此，病毒群落对湿润的响应在分类学组成动态上与宿主类群的丰度变化广泛一致，这与病毒感染优势细菌相符。图4 病毒和原核生物对土壤湿化反应的时间特征和分类方式
残存DNA是活动的燃料，也是研究死亡的窗口
为了研究残存DNA的动态变化和微生物死亡情况，作者利用了未经DNase处理的病毒组。这里定义的残存DNA是指在0.22μm以上的非病毒DNA，只能通过序列来推断其产生的时间。对于四种类型土壤，干燥土壤中的残存DNA产量最高，并在湿润后的24小时内急剧下降（图5 a），表明残存DNA在干燥土壤中积累，并在再湿润后迅速降解。残存DNA在实验结束时开始重新积累（图5 a），暗示了新的微生物死亡。这些结果表明实验过程中存在微生物死亡，并且干旱季节积累的残存DNA可能作为富含营养物质和/或核酸的底物，在重新湿润后立即促进微生物活性。作者通过分析未经处理的（残存）DNA的原核生物组成，揭示了随时间死亡或濒临死亡的微生物。作者关注了249个MAGs，这些MAGs可能代表完整的超小型细菌。与干燥土壤中残存DNA的高丰度及其在湿润后迅速减少相一致，干燥土壤具有最高的残存DNA的MAG丰富度；这在所有土壤类型中在湿润后24小时显著减少（图5 b）。在整个时间序列中可用的未经处理的DNA序列样本中，残存DNA的MAG丰富度在后期时间点增加（图5 b），表明在再湿润后几天内有新的多样性微生物死亡。由于观察到的病毒群落动态表明在整个实验过程中存在广泛的微生物寄主感染和裂解，病毒裂解是可以解释持续10天的微生物死亡的机制之一。病毒引起的微生物死亡是否倾向于在稳定的宿主群体中推动更替，还是导致更严重的灭绝，这是一个悬而未决的问题，这需要比较宏基因组和死亡的微生物组分。在干燥的土壤中，残存和总的微生物组成最相似(图5 c)，与死亡的生物主导总的宏基因组一致。在所有四种土壤中，残存和总的微生物组成在湿润后立即分化，这可能反映了湿润后高度的微生物复制和较低的死亡率。总体而言，总DNA库和残存DNA库在组成上基本相似（图5 d）。包括放线菌门和变形菌门（图5 e）的优势类群在残存DNA和总DNA中显示出类似的相对丰度模式，表明这些优势细菌有一定的死亡率，但种群数量没有大幅减少。这些结果总体上与这些优势微生物在整个实验中最近产生的病毒一致，并且它们表明病毒裂解是在干燥土壤和再润湿过程中产生新残存DNA的可能机制。图5 残存DNA的丰度和组成随时间的变化
在这篇研究中，作者展示了季节性干旱土壤再湿润的过程伴随着病毒多样性的迅速增加和病毒群落的广泛变化。尽管不同土壤类型的病毒群落组成几乎没有重叠，但演替动态在各个土壤中都表现出惊人的相似性。研究结果表明，病毒对放线菌门和变形菌门的寄主具有相似的演替轨迹，暗示了病毒能够对优势土壤微生物群落进行捕食，但并未导致寄主种群的显著减少。这些发现为我们理解土壤中病毒和微生物的相互作用提供了重要线索，并揭示了病毒在土壤生态系统中的潜在作用。论文信息
原名：Viral but not bacterial community successional patterns reflect extreme turnover shortly after rewetting dry soils
译名：病毒而非细菌群落演替模式反映了干土再湿后的极端周转
期刊：Nature Ecology & Evolution
DOI：https://doi.org/10.1038/s41559-023-02207-5
发表时间：2023-9-28
通讯作者：Joanne B. Emerson
通讯作者单位：Department of Plant Pathology, University of California, Davis, CA, USA
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