翻譯：周之超@UW-Madison
Biogeochemistry Goes Viral: towards a Multifaceted Approach
To Study Viruses and Biogeochemical Cycling
mSystems [IF:6.496]
DOI：https://doi.org/10.1128/mSystems.01138-21
發表日期：2021-10-12
第一作者：Patricia Q. Trana,b
通訊作者：Karthik Anantharaman(karthik@bact.wisc.edu)a
主要單位：
a,b美國威斯康星大學麥迪遜分校(Department of Bacteriology;Department of Integrative Biology, University of Wisconsin—Madison, Madison, Wisconsin, USA)
關鍵字：噬菌體，生物地球化學，微生物生態學，病毒
病毒在地球上無處不在，是環境、生態系統和人類健康的關鍵組成部分。然而，由于大多數病毒無法在實驗室中分離出來，因此對它們的研究仍然很少。本文旨在了解生物學、地質學和化學之間相互作用的生物地球化學領域，在了解病毒在營養物質循環、食物網和元素轉化中所扮演的不同角色方面取得的進展。在這篇評論中，我們概述了目前用于理解水生生態系統中生物地球化學循環的微生物生態學框架。接下來，我們回顧了一些現有的實驗和計算技術，這些技術使我們能夠利用水生環境的例子來研究病毒在生物地球化學循環中的作用。最后，我們提供了一個概念模型，當與生物地球化學和生態學數據相結合時，可以平衡現有計算工具的限制。我們設想通過使用多方位的病毒生態學方法來迎接理解病毒如何影響生物地球化學循環的巨大挑戰。
The importance of viruses in aquatic biogeochemistry
微生物群落是生物地球化學循環的核心，這在海洋、土壤和淡水環境中都可以觀察到。在過去的幾十年里，技術的進步導致了基因組測序的增加，從而發現了微生物的作用，特別是細菌和古細菌的作用。然而，水生微生物生態學的研究很少超越生命領域，而進入病毒領域。由于對病毒缺乏了解，因此無法將其納入下一代模型，而這些模型正被用來為代謝、生態系統和生物地球化學的長期預測提供信息。
大多數研究要么單獨關注細菌、古細菌，要么關注病毒。如果結合起來，研究可以解釋在其他穩定的群落中生物地球化學過程的突然轉變是如何由病毒驅動的。微生物形成復雜的群落，通過捕食機制，如細胞裂解、放牧和資源競爭，相互影響(圖1A)。因此，研究所有這些驅動因素是如何相互作用的，可能會提供一個不僅僅停留在描述性生態學水平上的機制性認識。
A 由病毒、細菌、古細菌和真核生物組成的復雜微生物群落通過捕食和資源競爭等機制相互作用，并與環境相互影響。本圖顯示了兩個具體的例子，包括一個含有輔助代謝基因(AMG)的噬菌體作用于細菌的代謝以產生更多的病毒后代的例子(左)和一個病毒感染浮游植物以通過病毒分流影響C、N、P和S供應的例子(右)；
B 對于不同層次的組織體系的研究有助于對生態學的整體理解，同時也影響我們對深入研究病毒生態學的能力。生物學、地質學和化學的每一個組成部分都可以在從細胞到全球過程的一系列的尺度上進行研究。
病毒生態學研究表明，病毒在生態系統中的作用是不容忽視的。例如，裂解病毒可以針對微生物釋放碳素，為微生物食物網提供食物來源(病毒分流)，并對微生物群落組成產生直接影響。此外，編碼輔助代謝基因(AMG)的病毒可以操縱它們的宿主，影響微生物的代謝和過程，如碳、氮、硫和鐵循環。這些生物地球化學途徑通常與環境條件密切相關，如水生生態系統中的氧躍層或化學躍層(圖1B)。大多數專門針對生物地球化學途徑的病毒基因組研究只評估研究了海洋環境。而其他水生環境，包括內陸湖泊、沿海地區、溪流和河流，也存在相應的動態時空模式，與微生物(細菌、古細菌、真核生物)在生物地球化學循環中的作用密切相關，但是關于病毒參與這些環境動態變化影響方面的研究現在仍然非常有限。有證據表明，在湖泊等生態系統中，含有AMG的病毒也有可能參與生物地球化學循環。隨著越來越多的證據表明病毒在生物地球化學循環中的作用，通過跨越細菌-古生物-真核生物-病毒的界限，我們可以獲得對這些群體的功能作用、相互作用和影響上更全面的理解。
Techniques to study the roles of environmental viruses
實驗技術的存在為開始整合不同規模的生物學提供了一套初步的工具(圖1)。一些方法依賴于將病毒與其宿主一起培養，而其他方法可以在沒有培養的宿主的情況下進行。通過噬菌體斑塊測定法對病毒進行計數的研究顯示病毒數量在不同水生生態系統中是不同的。在對海洋中病毒形態的全球分析中，研究人員利用顯微鏡觀察到非尾狀病毒主導了表層海洋微生物群落。通過結合生態環境，后續研究表明，海洋環境中的無尾病毒的噬菌行為是針對細菌的一個主要捕食機制。然而，在培養中研究的大多數病毒都是有尾的，從而顯示了基于培養和不依賴于培養的多方面證據對于理解生態相關性的重要性。稀釋到滅亡是另一種實驗室方法，包括過濾水步驟，然后進行富集、純化和分離，最終獲得病毒-宿主系統。模型宿主-病毒系統對于探索有針對性的生物地球化學途徑和宿主-病毒的相互作用非常有用，因為實驗室下建立的受控環境為研究提供了更高的可重復性。例如，科學家可以通過改變病毒的豐度和測量宿主的生長速度和生物量來解析碳再生的問題。同樣，通過跟蹤監測宿主、病毒和化學特性，在加入針對宿主的病毒后，可以測量出宿主參與反硝化受到促進或者抑制的程度，以期將來對其進行改進。
朝著更全面地了解生態系統中的生物地球化學過程的一個步驟是超越研究模式生物來了解生態系統的其他組成部分。此外，生物地球化學依賴于生物學、地質學和化學，這些學科都有各種技術，可以幫助了解病毒生態的整體影響。雖然人們普遍認識到需要研究未培養的微生物(古細菌、細菌、真核生物)以了解生態系統的過程，但這一概念在病毒學領域并不常見。由于病毒的培養依賴于宿主，而自然界中的大多數微生物是無法培養的，因此到目前為止，與環境相關的病毒很少被培養出來。
為了規避依賴培養的病毒生態學的局限性，正在開發的解決病毒“組學”數據解釋難題的計算技術將促進復雜環境生態系統中的環境病毒分析。在過去的幾年里，微生物宏基因組學領域(主要是細菌和古細菌)已經從基于批量讀長的宏基因組表征轉向在宏基因組組裝的基因組尺度上的功能分析，甚至在菌株級水平上理解進化過程和生態模式。利用宏基因組學信息能力的提高，部分原因是計算方面的進步，如高通量序列處理、基因組分選、算法效率提高和數據標準化。這種計算上的進步在未來可能會應用于病毒組學研究。病毒基因組學工具正在編寫、測試、比較和用于獲得生態學水平上的新見解新觀點，同時所得到的信息正在變得標準化。隨著時間的推移，這些工具將促進人們更好地了解病毒及其復雜的生物地球化學相互作用。
超越單純實驗室技術和單純基因組學技術的局限可以帶來研究病毒生態學的新方法，這些方法利用了這兩種優勢。單細胞病毒標記和測序，在某些方面類似于細菌的單細胞基因組測序，依靠用熒光染料標記病毒，然后進行細胞分選和測序，以確定實際的宿主-病毒相互作用，而不需要培養。單細胞病毒標記和測序是為人類腸道微生物研究開發的。另一項技術，epicPCR，包括將系統發育基因與功能基因聯系起來，然后利用測序來獲得細胞的高通量生態學相關信息，如細菌細胞在硫酸鹽還原中的作用。這種技術在識別病毒與宿主的相互作用方面很強大，特別是對于病毒在數據庫中沒有代表序列的時候。epicPCR已被用于研究河口環境中無需培養的病毒-宿主相互作用，并且已經觀察到環境中宿主范圍較窄和較廣的病毒之間在病毒生活方式和策略上的差異。總的來說，這些結合了實驗技術和計算(測序及其解釋)優勢的技術進步的例子可以應用于水生環境中病毒的生物地球化學循環方面的研究。例如，我們設想在一個受環境變化(無論是生物的還是非生物的)影響的環境中收集一系列時間序列的微生物樣本，使用上述任何一種方法來測序和研究病毒-宿主的相互作用。之后通常會對病毒和宿主進行基因組調查，并對其參與碳、氮或硫的生物地球化學循環的時間進行解釋，同時確定病毒和宿主之間的物理互動。所有這些技術都突出了病毒生態學的未來，以及它們在整個水生生態系統研究中的應用潛力。
Looking forward: combining multifaceted approaches is important to obtain a holistic understanding of ecosystem ecology
近年來，產生的基因組數據量呈指數級增長，基于這些數據的解釋得益于對歷史和生態背景以及生態系統未來可能遇到的挑戰的透徹理解(圖2)。我們認為，通過收集元數據和研究系統的背景，將促進解釋病毒生態學數據的能力，特別是基于組學的數據。例如，人們可以在不同水平下研究碳對細菌生長的影響，這些不同的水平可以包括從關注生物體或群落水平的正反饋的簡單研究(圖2A)到它們相互作用的復雜研究(圖2B和C)。朝著更綜合的研究方向發展，納入多物種、多領域的生命以及關于生物地球化學和環境的綜合元數據，將使我們能夠確定系統中復雜的正負反饋(圖2)。具體到病毒生態學，我們建議將標準的病毒采樣方法與詳細的生物地球化學和微生物群落(細菌、古細菌和真核生物)的元數據收集結合起來，這可以大大增加解釋和綜合分析結果的能力。
將自然界中的病毒生態學和生物地球化學的信息最大化的概念框架。沿著圖中頂部的軸線，是獲得關于一個系統更多信息的方法；
A 顯示碳對細菌生長的正反饋的例子；
B 加入病毒會增加A中所示的復雜性；
C 進一步加入詳細的生物地球化學和環境元數據，如碳、氮、硫和溫度，可以將復雜的環境條件與生態學聯系起來，但會增加圖A和B所示的復雜性；
D 病毒生態學中計算分析的各個步驟的信息損失。計算分析的信息損失可以通過從生物地球化學和環境元數據獲得的信息來平衡。
圖2D展示了計算技術及其結果，雖然僅提供了對病毒生態學的一瞥，但仍然具有解釋病毒生態學的重要作用。在這個簡化的例子中，從一個給定的樣本中產生的宏基因組被用作計算識別病毒的起點。沿著管道的每一步，都會失去背景信息，因為被識別的病毒比例相對較低，其中大多數病毒基因組僅是不完整的基因組，甚至更少的病毒可以被識別出有一個確定的生態功能或作用。病毒基因組學的分析本身就具有挑戰性，特別是在病毒生物信息學方法仍在不斷發展當中并有其自身限制的情況下。鑒于同樣的基因組數據集和結果，如果有了全面的元數據和生物地球化學數據(圖2C和D)，其解釋生態功能的能力就會大大增加(圖2A)。
最后，我們設想，要想將病毒生態學完全整合到可測量和可預測的結果中必須涉及到與生物地球化學和生態系統模型的整合。在預測生物地球化學過程中，如碳、氮和硫在氧化還原梯度上的循環，科學家們已經做出了大量的努力來整合微生物(細菌和古菌)的宏基因組和宏轉錄組數據。實際上，(細菌和古菌)宏基因組學領域已經起步了十多年的時間，業界已經跨步到從對生物多樣性的描述性研究轉向整合多條實驗和基因組證據的機制和預測模型的研究。即便如此，像后者一樣的綜合研究通常也不是常態的，而且非常具有挑戰性。雖然病毒生態學的挑戰和機遇將涉及到克服資源限制和跨學科的學習曲線，但我們設想通過這些多方面的努力，我們終將獲得把病毒生態學和生物地球化學緊密結合起來的能力。
Patricia Q. Tran,Karthik Anantharaman.Biogeochemistry goes viral: towards a multifaceted approach to study viruses and biogeochemical cycling.mSystems 6:e01138-21.
https://doi.org/10.1128/mSystems.01138-21.
主頁: https://anantharamanlab.wisc.edu/
Karthik Anantharaman 是威斯康星大學麥迪遜分校細菌學系的助理教授。他2014 年獲得密歇根大學地球與環境科學博士學位，研究深海熱液羽流的地球微生物學。他的跨學科研究計劃側重于了解硫和營養物質的循環，特別強調在環境和人類系統中改變它們的微生物和病毒過程。Karthik 的研究結合了不依賴于培養、依賴于培養和基于實地的方法來研究熱液羽流、最低氧區和深海中的微生物組、病毒組和化學之間的相互作用。他因開發研究病毒生態學的新方法并開展以病毒為中心的生物信息學課程和研討會而獲得 2021 年 NSF CAREER 獎。他被美國微生物學會授予 2022 年 ASM 早期職業環境微生物學研究獎。
