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Cell丨种类增加12倍!宏基因组测序帮助科学家发现近20万种海洋病毒

你知道吗?当你在海里游泳时吞下一口海水,就可能吞下了数以亿计的病毒。

尽管海洋中的病毒数量惊人,并且在自然界的碳循环等过程中发挥着关键作用,但自海洋病毒首次被发现以来的几十年里,科学家仍然对其多样性及遗传信息知之甚少。近年来,随着基因组学技术的进步,科学家开始着手分析海洋病毒的功能与多样性,特别是它们对海洋微生物的影响。2015年,一个国际研究团队在《自然》期刊上发表了一项研究成果,突破性地揭示了5,476种不同的海洋病毒。2016年,该团队再次将数据更新至15,222种。

但在近日发表在《细胞》杂志上的一项研究中,这一数字飙升至195,728种,直接将此前科学界发现的海洋病毒种类扩展了超过12倍。这一个庞大的全球海洋病毒“目录”,标志着在人类在海洋病毒的研究中迈出了重要一步。

“这是一项相当惊人的研究。”北卡罗来纳大学格林波若分校微生物基因组学家Louis-Marie Bobay说到,“我们对海洋大部分地区的病毒生态学知之甚少,而这是迄今为止收集到的最令人印象深刻的全球数据。”

这一数字的飞跃得益于大规模的全球抽样考察和更加复杂的宏基因组分析。

虽然海洋覆盖了地球70%的面积,但直到几年前,关于海洋病毒多样性的信息大多来自少数几个研究较为充分的地区。“塔拉海洋”(Tara Oceans)项目的启动改变了这一状况。该项目旨在通过全球范围采样,获得更完整的海洋微生物和病毒多样性信息。随着“塔拉号”科考帆船的航行,从海面到海底,从暖洋到极地,全世界不同地区的海洋微生物样本得以收集。本次发表在《细胞》杂志的最新研究涵盖了来自北极43个地区的样本,这些样本在2015年及2016年的研究中从未被使用。

航行在北极的“塔拉号”帆船

ANNA DENIAUD/FONDATION TARA OCÉAN

据悉,最新研究发现的大约40%的新型病毒种群来自北极样本,其余的则来自对早期研究样品的重新分析。

论文第一作者、比利时鲁汶大学微生物生态学家Ann Gregory表示:“我们用来组装病毒基因组的算法得到了极大提升。”

除了对DNA片段进行组装,研究团队还必须找到一种方法来对各种病毒基因组进行分类。而定义一个病毒的种类是有争议的,因为病毒是无性繁殖的,并且常常互相之间或与宿主进行DNA交换。由于病毒没有独立复制的生物机制,一些生物学家甚至不认为病毒是完全“活的”。

海洋病毒

JENNIFER BRUM/SULLIVAN LAB AT OHIO STATE

研究团队没有将病毒划分成不同物种,而是将病毒划分为“种群内部基因流动较不同种群间基因流动更多”的“种群”。如果测序后的病毒至少有95%的DNA是相同的,那么研究人员则将其划分为同一种群。研究人员利用这种方法区分出近20万个不同病毒种群。其中大约90%的病毒不能被映射到任何已知的病毒分类中,也就是说这些病毒大部分是新发现的。虽然传统上病毒并不能像葡萄球菌那样按“属”分类,但研究团队得出的结论是,他们对新发现病毒种群多样性的划分与“属”相当。

此外,研究人员还推断,海洋病毒存在五个大型群落,它们可以根据海洋温度和深度映射到不同的海洋生态:北极、南极、温带和热带地表、温带和热带地下、深海。在这些大型群落的基因组中,研究人员发现了海洋病毒对每个生态区进行遗传性适应的证据。论文共同第一作者Ahmed Zayed表示:“温度是群落结构的最大预测因子。”他解释说,不同的温度支持不同种类的微生物宿主群落,而海洋病毒也相应地进行适应。

研究人员还发现,在全球范围内,他们观察到的病毒之间的生物多样性模式与已确立的生态趋势有些冲突。Ahmed Zayed说到:“有一种理论认为,物种多样性在赤道地区最高,而当你向两极移动时,多样性就会减少。”人员确实在赤道发现了更多的多样性,但令人惊讶的是,他们也在北极地区也发现了惊人的多样性。“我们惊讶地发现北极也是生物多样性的热区,这一点尤其重要,因为这些水域是地球上因气候变化而变化最快的水域之一,”论文通讯作者、俄亥俄州立大学微生物学家Matthew Sullivan补充说。

病毒在碳循环等过程中发挥着重要作用,一些科学家推测,病毒有朝一日可用于调整碳循环并减少大气中二氧化碳的含量。目前,研究人员表示将利用这些遗传信息研究新型抗生素。

他们同时强调,这一数据集仍然不够全面。它仅包含了海洋中的DNA病毒,而没有涵盖RNA病毒。随着研究的后续推进,研究人员表示他们将绘制出更加详尽的全球海洋病毒“目录”。正如作者所强调的,尽管我们了解地球上的生命,但海洋仍然充满了未知数。海洋中仍有很多秘密等待人类探索。

参考资料:

1. Marine DNA Viral Macro- and Microdiversity from Pole to Pole

2. SCIENTISTS DISCOVER NEARLY 200,000 KINDS OF OCEAN VIRUSES

3. Around-the-World Expedition Finds 200,000 Species of Viruses in the Oceans

4. Nearly 200,000 Viral Populations Live in the World’s Oceans

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本文由 测序中国 作者:戴胜 发表,转载请注明来源!

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