凌恩生物文献分享|南农大胡锋教授团队揭示苯并[a]芘胁迫影响蚯蚓肠道病毒组生态适应策略机制

蚯蚓被誉为“土壤生态系统工程师”，对于土壤结构改良、有机质分解、土壤污染修复具有重要意义，同时蚯蚓也被作为评估污染物生态风险的灵敏指示者。蚯蚓肠道微生物对于蚯蚓生态功能的发挥至关重要，为了充分利用蚯蚓的生态和生物技术效益，我们迫切需要进一步了解影响蚯蚓肠道微生物群结构和功能多样性的因素。

细菌病毒 (即噬菌体) 严格依赖宿主生存，是影响细菌宿主群落物种组成及代谢状况的重要生物因素。病毒可以通过捕食作用裂解宿主，直接调节细菌的群落结构。另一方面，病毒将遗传物质注入宿主体内，在随宿主基因组复制的过程中，病毒携带的辅助代谢基因也一并表达，可用于增强或重定向宿主细胞内的资源获取、中心碳和能量代谢等过程。

相较于广泛研究的蚯蚓肠道细菌，病毒群落虽然对微生物群落结构和功能具有重要调控作用，但是蚯蚓肠道中病毒群落物种多样性及功能重要程度还没有得到全面解析，尤其蚯蚓肠道病毒如何对不同的环境压力 (如土壤污染物) 做出反应尚不清楚。在前期研究土壤病毒组补偿宿主细菌群落降解有机污染物的基础上（Zheng et al., 2022, https://doi.org/10.1038/s41396-022-01188-w ; 被遴选为2022年度The ISME Journal最佳论文奖），近期南京农业大学土壤生态学课题组胡锋教授团队，在国际生态学知名期刊The ISME Journal再次发表最新研究进展。

本研究结合宏基因组学、病毒组学、宏转录组学和生物信息学分析，研究了不同浓度环境有机污染物苯并[a]芘污染胁迫土壤中，蚯蚓 (Metaphire guillelmi) 肠道病毒组及其与细菌宿主的相互作用。研究发现，苯并[a]芘毒性显著影响蚯蚓的生理生长发育，并造成蚯蚓肠道产生氧化应激效应。低浓度苯并[a]芘暴露条件下蚯蚓肠道细菌群落基础代谢活性被刺激，而在高浓度条件下则被抑制。

Fig. 1 Functional profile and metatranscriptome validation of prokaryotic community in earthworm intestines.

苯并[a]芘暴露显著改变蚯蚓肠道中病毒的生活方式，在低浓度胁迫条件下，病毒以溶原性生活方式为主，而高浓度条件下，裂解性病毒占据主导。在低浓度条件下，细菌携带最多数量的抗病毒防御体系，因此导致病毒与细菌宿主有最少的匹配联系，而在高浓度苯并[a]芘胁迫条件下细菌抗病毒侵染能力减弱，因此有最多的细菌-病毒对应关系。蚯蚓肠道内病毒群落通过携带的辅助代谢基因增强宿主细菌细胞膜抗性、提高细菌抗氧化能力、增强宿主代谢降解苯并[a]芘能力，协助细菌宿主应对胁迫。本研究结果可以扩展对污染胁迫下蚯蚓肠道中噬菌体适应策略及噬菌体-细菌复杂相互作用的认识，加深对噬菌体生态和进化作用的理解。同时为宏病毒组运用于蚯蚓土壤污染生物修复技术的开发提供理论基础。

Fig. 2 Phage-encoded auxiliary metabolic genes (AMGs) and their transcriptome profiles under BaP stress.

Fig. 3 Analysis of phage-bacterium interactions.

Fig. 4 Conceptual depiction of metabolic functions of bacteria and phages under different BaP stress.

        该研究得到了国家自然科学基金等项目的资助。硕士生夏蓉及导师孙明明教授为共同一作，孙明明教授与浙江大学俞萍锋研究员为共同通讯作者。胡锋教授、美国工程院院士Pedro J. J. Alvarez教授等参与指导了该项研究。