发表期刊：TheISMEJournal（IF=10.）
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样本类型：水体
DOI:/10./s---6
研究背景
病毒在海洋生态系统和生物地球化学中发挥着重要的作用。例如，裂解病毒可以针对微生物释放碳素，为微生物食物网提供食物来源（病毒分流），并对微生物群落组成产生直接影响。此外，编码辅助代谢基因（AMG）的病毒可以操纵它们的宿主，影响微生物的代谢和过程，如碳、氮、硫和铁循环。这些生物地球化学途径通常与环境条件密切相关，如水生生态系统中的氧跃层或化学跃层。
实验设计
本研究在东热带南太平洋（ETSP）海洋氧最低区（OMZs）水域的六个深度剖面中，从跨越有氧到缺氧水域的22个样本中对总共29个病毒的宏基因组进行了测序（图1），研究结果评估了OMZ病毒是否可能通过AMG影响氮（N）循环。图1研究区域概况和采样站的垂直特征A秘鲁海岸的ETSP最低氧区（OMZ）中7、8、14、16、17和18站点的位置。B每个观测站的氧气（蓝色实线）和荧光/叶绿素（暗色和浅色的绿色实线）深度剖面主要结果
1.ETSP样本宏病毒组数据分布及N相关AMGs结果表明，29个宏基因组一共测序生成Gb数据，每个病毒组平均reads约49M，并产生61,个非冗余的长度大于5kbscaffolds。其中，46,个（75%）被鉴定为病毒，3,个（6%）被鉴定为微生物，而其余11,个scaffolds（19%）不能被明确鉴定（图2）。结果分析揭示了六种AMGs——focA、nirA、nirK、norB、amoC和glnK，其中由glnK编码的氮调节PII基因和由amoC编码的氨单氧酶是早前就被发现的两种AMGs。图2测序深度和获取的reads
（1）铁氧化还原蛋白-亚硝酸还原酶和亚硝酸盐转运体六个N循环AMGs中的第一个和第二个AMG包括一个亚硝酸盐转运蛋白基因（focA）和一个铁氧化还原蛋白-亚硝酸还原酶基因（nirA）。两个基因共定位在包含20个基因的病毒scaffoldSt14_omz_E（11,bp）上，其中15个是病毒相关基因，两个预测NtcA结合位点，一个启动子，一个focA基因，一个未知基因和一个nirA基因，没有预测到终止子（图3A）。系统发育树分析表明，病毒FocA和NirA与原绿球菌和聚球藻属的物种最为相似，同源性分别为86%和67%（图3B），表明这两个AMG来源于这些宿主，并可能在感染过程中发挥有利作用，因为它们可以减少宿主争夺有限的硝酸盐和氨的需求。图3病毒focA和nirA的基因组背景、多样性和蛋白质结构A编码nirA和focA的scaffold的遗传图谱及其与蓝藻和噬藻体参考基因组的比对。B在ETSP和蓝藻序列中发现的病毒FocA或NirA的氨基酸比对得出的最大似然树。本研究中发现的病毒性AMGs的分支用粗线突出显示。C病毒FocA的四级结构和病毒NirA的三级结构。（2）亚硝酸盐还原酶和氧化氮还原酶六个N循环AMGs中的第三个和第四个AMG包括一个含铜的亚硝酸还原酶基因nirK和一个氧化氮还原酶基因norB。病毒NirK蛋白与来自CladeI的微生物NirK聚集在一起，与Gamma变形菌纲最为相关（67-70%相似性），而NorB与酸杆菌门（57-62%相似性）、Magnetovibrioblakemorei（62%相似性）和Gamma变形菌纲HdN1（59.3%相似性）最为相关（图4B）。在功能上，两种AMGs都是可能对病毒有益的反硝化基因，NirK蛋白将亚硝酸盐还原为一氧化氮，而NorB将一氧化氮还原为一氧化二氮，或一氧化氮还原为氮和氧。图4病毒norB和nirK的基因组背景、多样性和蛋白质结构A编码norB和nirK的scaffold的遗传图谱。B在ETSP和参考微生物序列中发现的病毒NorB或NirK的氨基酸比对得出的最大似然树。C病毒NorB和病毒NirK的三级结构。（3）氨单加氧酶亚基C基因鉴定出的第五个AMG是氨单加氧酶亚基C基因（amoC）。以scaffoldSt17_oxy_54为代表的含有amoC的细菌病毒长度为kb，编码个基因，两侧有一个启动子和一个终止子（图5A）。在进化上，amoC聚类在亚硝化单胞菌进化枝中（图5B），与来自亚硝化单胞菌的AmoC关系最密切（86%相似性）。在功能上，amoC可以通过获得氨氧化释放的能量来使OMZ病毒受益。图5病毒amoC的基因组背景、多样性和蛋白质结构A编码类似细菌amoC的病毒scaffold的基因图谱，并与含有该基因的参考微生物基因组进行比对。B从ETSP和参考微生物序列中发现的类似细菌病毒AmoC的氨基酸比对中得到的最大似然树。C类似细菌病毒AmoC的三级结构。（4）GlnK-PII信号转导蛋白六个与N相关的AMGs中的最后一个是GlnK，这是一种PII信号转导蛋白。本研究在29个宏基因组中共鉴定了三个含有glnK基因和amtB基因的病毒种群（图6A），前两个属于PII-1组（GOV数据工作中发现的glnK亚群的病毒代表），第三个是本研究指定为PII-4的新病毒glnK（图6B）。编码glnK的两个病毒scaffold上游都有一个启动子，铵转运蛋白基因（amtB）下游的一个终止子，以及紧邻amtB下游的孔蛋白基因(ompL)（图6A）。在功能上，OMZ病毒可以通过调节宿主对氨的吸收而受益于glnK和amtB基因。图6病毒glnK的基因组背景、多样性和蛋白质结构A编码glnK的scaffolds的遗传图谱，并与包含该基因的参考微生物基因组进行比对。B在ETSP和参考微生物序列中发现的病毒GlnK氨基酸比对得出的最大似然树。C病毒GlnK的三级结构。2.病毒编码的N-循环AMGs的生物地球化学和生态学背景就N循环中AMGs来说，早先研究已经鉴定出硝化（AmoC）基因和氨调节（GlnK）基因，本次研究增加了编码介导同化亚硝酸盐还原（FocA和NirA）和反硝化（NirK、NorB或NOD-likeNorB）基因。这些基因分散在已知的N循环途径中（图7）。图7病毒对氮气循环和运输的潜在贡献该示意图代表了驱动氮循环以及参与的酶和转运蛋白的主要途径。含有病毒的蛋白质用橙色的背景颜色突出显示。与N循环相关的AMGs在ETSPOMZ不同站点的各个深度区的分布概况如图所示（图8）。含有focA-nirA的病毒种群，几乎存在于每个站点和每个深度，但在来自上层OMZ具有深叶绿素最大值的样本中要更加丰富。其他AMG编码病毒种群在整个数据集中的丰度较低，并且表现出强烈的深度偏好，例如，含有amoC的病毒种群主要分布在地表水和氧跃层水中，这在很大程度上遵循好氧氨氧化剂的分布（图8）。图8含N-AMG的病毒种群在ETSPOMZ样本中的分布气泡图代表了包含focA和nirA基因（A，绿色）、norB和nirK基因（B，红色）、amoC基因（B，黄色）和glnK基因（B，紫色）的病毒种群的相对丰度。研究结果表明，海洋氧最低区（OMZ）病毒不仅可以通过裂解关键的N循环微生物来影响N循环，而且还通过在感染期间调节不同的N代谢来影响N循环。随着这些N相关病毒AMGs被发现，未来的OMZ病毒工作可以评估病毒细胞影响的氮循环，差异量化病毒在OMZN循环基因和转录中的生物地球化学影响。
参考文献
Potentialvirus-mediatednitrogencyclinginoxygen-depletedoceanicwaters.TheISMEJournal,.
DOI:10./s---6