病毒在微生物死亡率、多样性和生物地球化学循环中发挥着重要作用。地下水是全球最大的淡水，也是地球上最贫营养的水生系统之一，但在这个特殊的栖息地中微生物和病毒群落是如何形成的尚未被探索。本次经典文献分享给大家带来，宏基因组+宏病毒组+Hi-C测序揭示地下水病毒组全貌。

期刊：Journal of Hazardous Materials                

影响因子：13.6

发表时间：2023年6月

一

研究方法及思路

1

研究样本

       银川平原23-60 m地下水（4个位点），过0.22um滤膜，收集滤膜并抽提DNA样本。

2

测序方法

● 宏基因组Illumina 测序；

● 宏病毒组Illumina + Nanopore ；

● Hi-C辅助病毒宿主预测。

图1 研究方法及思路

二

主要研究结果

1.

病毒序列在宏基因组与宏病毒组数据中的分布

在宏基因组和病毒基因组中，分别回收到1402个和683个长度＞5 kb的v-contigs。二代+三代测序数据混合组装使v-contig长度提高一倍(图1b)。宏病毒组数据集中映射的病毒reads数大于宏基因组(图1c)。v-contigs的完整性高于人类肠道微生物群的完整性，病毒组中高质量和中质量病毒占比更高(图1d)。t-SNE表明病毒组和宏基因组的病毒分布不同，说明病毒的分析需要结合这两种策略。去冗余后获得1920个v-contigs进行下游分析。

图2 宏基因组与宏病毒组数据分析

2.

 地下水病毒群多样性及分布

基于蛋白质序列同源性，对1920个v-contigs进行聚类生成病毒簇（VC），48.7%的v-contigs聚集在454个VC中。根据集群中RefSeq病毒的分类信息推断VCs的系统进化亲缘关系，只有27个VC可以被分类(图2a)。说明地下水中存在大量未知病毒。计算每个位点454个VC的丰度，发现 VC在各位点的分布均受到环境因素的影响，普氏分析表明病毒群落与细菌群落显著相关（图2b）。

图3a 下水系统的分类和病毒簇信息

图3b  普氏分析病毒群落与细菌群落的相关性

3.

地下水系统中的病毒-宿主联系

同源性搜索+CRISPR匹配+Hi-C测序，共同预测病毒-宿主关系。469个VC预测到宿主，范围包括19门29纲69目(图3a)。在纲水平上对同一宿主相关的 VC丰度进行求和，通过Spearman分析发现 VC丰度与宿主高度相关(图3b)。

研究发现部分VC具有广泛的宿主范围，该特征为噬菌体与宿主相遇提供了更大的机会，也促进了辅助代谢基因（AMGs）的水平基因转移能力。Hi-C方法检测到了大多数宽宿主范围，突出了该方法在揭示病毒-宿主相互作用方面的优势。

图4 病毒和细菌群落的相互作用

4.

病毒中的AMGs

为了研究地下水病毒的生态功能，使用VIBRANT鉴定到336个病毒AMGs。其中有一些位点特异性AMGs，例如，来自深层样本中存在与氧敏感的嘧啶代谢和生物合成的AMG。这些特异性AMGs可能有利于病毒在这种寡营养环境中更好地生存。在AMGs的前20个功能分类中，有10个分类与生物合成过程有关(图4b)。图4c为人工筛选的与生物合成相关的AMGs。

图5 v-contigs中的AMGs

5.

地下水病毒与其他水系病毒的差异

为了揭示v-contigs的普遍性和差异性，将本研究中的地下水病毒与海洋（marine）、污水处理厂（WWTP）、其他地下水（other GW）中的病毒进行了比较。网络分析显示出明显的病毒栖息地特异性，90.5%的v-contigs只属于一个栖息地(图5a)。地下水病毒的GC含量与污水、海洋水系不同。这些结果表明地下水生态系统中的病毒更为相似，呈现出与污水处理系统和开放海洋中的病毒不同的基因组和功能特征。

图6 地下水和其他栖息地v-contigs的比较

6.

地下水病毒的独特性

将本研究和其他地下水研究中的病毒合并(标记为GW)。t-SNE分析显示出明显的栖息地驱动的聚类，表明病毒存在栖息地特异性(图6a 6b)。

通过SOM聚类将GW、WWTP和marine的V-contigs分为20组，它们在不同的生境中的贡献度差异很大(图6c)。与其他组相比，GW特异性病毒不能被VConTACT2分类，并且它们被KEGG(图6d)和AMG标记的蛋白质较少，进一步表明GW存在大量未知病毒。

图7 地下水病毒的独特性

三

研究结论

      本研究通过二代、三代测序构建宏基因组与宏病毒组，应用Hi-C、CRISPR和同源性搜索对病毒-宿主对进行预测，1920种病毒中有469种非冗余病毒与宿主关联。一些特殊AMGs的发现有助于探索地下水病毒的生态作用。总之，本研究扩展了当前对全球病毒记录的了解，为更全面地了解地下水中的病毒奠定了基础。

阅读原文

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