红树林土壤病毒多样性和潜在的生物地球化学影响

Diversities and potential biogeochemical impacts of mangrove soil viruses11.607Microbiome . 2019 Apr 11;7(1):58. doi: 10.1186/s40168-019-0675-9.

Abstract

Background: Mangroves are ecologically and economically important forests of the tropics. As one of the most carbon-rich biomes, mangroves account for 11% of the total input of terrestrial carbon into oceans. Although viruses are considered to significantly influence local and global biogeochemical cycles, little information is available regarding the community structure, genetic diversity and ecological roles of viruses in mangrove ecosystems.   Methods: Here, we utilised viral metagenomics sequencing and virome-specific bioinformatics tools to study viral communities in six mangrove soil samples collected from different mangrove habitats in Southern China.   Results: Mangrove soil viruses were found to be largely uncharacterised. Phylogenetic analyses of the major viral groups demonstrated extensive diversity and previously unknown viral clades and suggested that global mangrove viral communities possibly comprise evolutionarily close genotypes. Comparative analysis of viral genotypes revealed that mangrove soil viromes are mainly affected by marine waters, with less influence coming from freshwaters. Notably, we identified abundant auxiliary carbohydrate-active enzyme (CAZyme) genes from mangrove viruses, most of which participate in biolysis of complex polysaccharides, which are abundant in mangrove soils and organism debris. Host prediction results showed that viral CAZyme genes are diverse and probably widespread in mangrove soil phages infecting diverse bacteria of different phyla.   Conclusions: Our results showed that mangrove viruses are diverse and probably directly manipulate carbon cycling by participating in biomass recycling of complex polysaccharides, providing the knowledge essential in revealing the ecological roles of viruses in mangrove ecosystems.   Keywords: Auxiliary metabolic genes; Carbon cycling; Mangrove soil; Viromes; Viruses.


红树林是热带生态和经济上重要的森林作为碳含量最高的生物群落之一,红树林占陆地碳输入海洋总量的11%。病毒对本地和全球生物地球化学循环有显着影响,但关于红树林生态系统中病毒的群落结构遗传多样性和生态作用的我们仍知之甚少


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研究思路


201510月至20173,从中国南方广西和海南省的三个不同红树林栖息地(海湾河流和港口)收集了6个土壤样本(下图)

病毒样本富集分为两步:第一、样品制备过程中富集。将纯化的病毒颗粒通过0.22μm过滤器过筛,确保外源DNA污染并用延长消化时间用DNase I处理。通用引物27F / 1492R对细菌16S rRNA基因进行PCR扩增,验证游离和污染细菌DNA污染第二、测序数据纯化。高通量测序病毒体reads进行了后验计算机过滤,以识别和去除任何非病毒信号

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研究结果

1、红树林土壤病毒群落的形态和分类多样性

NCBI RefSeqVirus数据库为参考来确定病毒分类。从红树林土壤中鉴定出总共51个属2082种病毒体。真核ssDNA Circoviridae(天然感染鸟类和哺乳动物),ssDNA噬菌体家族Microviridae和真核ssDNA家族Nanoviridae(天然感染植物)富集 dsDNA病毒最多隶属于Caudovirales天热感染细菌和古细菌)(图)

同时还发现了一些特定环境的病毒种类。五个environmental halophages19个分枝杆菌噬菌体(mycobacteriophages)是海湾独有不存在于河流和港口病毒体中。几种类似圆环的病毒(环病毒和禽类正呼肠病毒)和肠杆菌噬菌体是河流特有,而在港口病毒体中鉴定出独特的病毒种类。

2、红树林土壤病毒群落的遗传多样性

使用不同标记基因对六种病毒体的主要病毒家族进行系统发育分析,来评估六种红树林土壤中病毒的多样性和遗传距离。

病毒家族特异性蛋白质标记Rep的小ssDNA真核病毒构建了最大似然树(下图)。所有病毒体序列都远离已知的参考序列,在树中形成两个独立的进化枝。两个新的进化枝彼此相距很远,并且包括来自几乎每个红树林样品的序列,突出了全球红树林病毒可能存在共同遗传特征。

Caudovirales形成dsDNA噬菌体,通常是环境中检索最多的dsDNA病毒。使用编码终止酶大亚基(TerL)的基因评估它们的多样性(下图)。红树林病毒序列广泛分布在整个树中,大多数序列隶属于Sipho-Podoviridae科。大多数红树林Caudovirales在系统发育上远离已知的参考序列,并在Sipho-Podoviridae科中形成了三个红树林分支。此结果进一步支持了提出的假设,即红树林病毒遗传库可能在红树林栖息地中保持一致。

3、红树林病毒中丰富的辅助碳水化合物代谢基因

为了研究红树林病毒的功能多样性,将预测的病毒ORF与基eggNOG数据库比较,进行了6个病毒体的直系同源组(COG)注释。正如所料,大多数ORFs的注释很少,表明红树林土壤中存在大量未表征的病毒基因。与其他辅助代谢功能相比,“碳水化合物转运和代谢”在红树林病毒体中明显过多(下图a)。

红树林病毒体中共鉴定了705个独特的碳水化合物代谢相关的ORF。基于CAZyme特征结构域的识别,dbCAN鉴定出138ORFCAZymes(图5b)。CAZyme基因在红树林土壤起到有机碳分解作用。

含有CAZymecontigs的图谱分析表明,组装平均长度相对较小(616-687 bp),主要归因于红树林土壤病毒的丰富性和多样性。16CAZyme基因中的和9个糖苷水解酶基因基于连锁信息被验证为病毒编码。此外,研究人员还从红树林土壤酵母组装了一个完整的噬菌体基因组。该基因组近似于52kb,编码59ORFCAZymes在噬菌体基因组中高度富集,表明红树林土壤病毒中CAZymes的高发生率。

此外,基于AMG系统发育树识别编码CAZymes的病毒宿主。预测了10CAZymes的推定宿主(下表)。系统发育分析显示病毒多糖脱乙酰酶与来自不动杆菌的多糖脱乙酰酶聚集,表明该AMG可能来源于感染该细菌的噬菌体(下图)。红树林生态系统病毒CAZymes具有潜在巨大影响。

本研究首次系统地探索了红树林土壤中的病毒群落。红树林土壤中存在广泛的多样性,且主要受海水影响,来自淡水的影响较小。从红树林土壤病毒中鉴定了丰富的CAZyme基因病毒性碳水化合物AMG在全球碳循环中的作用可能非常显着。红树林土壤病毒可能通过复合多糖的生物分解直接操纵碳循环,这意味着环境病毒具有更大的多样性和更重要作用。

目前,宏基因组方法的发展为跨越生态系统的病毒群落的研究提供了强有力的工具。从样品采集,测序制备到病毒体的生物信息学分析过程仍充满挑战。国内首推宏病毒组研究技术,深入拓展病毒研究领域,深化对自然样本中病毒调节生理机制的了解,让您的研究领先一步
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