第一作者：廖汉鹏
通讯作者：周顺桂，Ville-Petri Friman
在线发表时间：2023.04.08
论文网页：https://doi.org/10.1038/s41396-023-01404-1
DOI号：10.1038/s41396-023-01404-1
图片摘要
成果简介
近日，福建农林大学资源与环境学院周顺桂教授团队在在微生物生态著名期刊《The ISME Journal》上发表题为“Mesophilic and thermophilic viruses are associated with nutrient cycling during hyperthermophilic composting”的研究论文。文章结合宏基因组学和宏转录组学首次发现了嗜热高温病毒参与超高温堆肥（HTC）过程中碳氮养分转化。以往传统认识高温堆肥过程的C-N等养分的转化主要由细菌和真菌等微生物驱动，关于病毒是否影响参与养分循环未知。本研究发现，不同耐热病毒(嗜温-嗜热病毒)在HTC过程中与其宿主微生物动态耦联，裂解性噬菌体通过自上而下（top-down）的策略调控宿主细菌群落演替。其中高温DNA病毒主要通过裂解作用调控嗜热菌群落结构，而常温病毒则通过表达大量与碳相关的辅助代谢基因（AMGs）介导有机碳转化。本研究为病毒参与人工高温生态系统养分循环提供了新认识，也启示病毒在极端环境的代谢功能被大量的低估，为将来应用病毒调控生物技术和农业系统提供新的启示。
引言
有机物的分解是一个关键的生态系统过程，影响着陆地生态系统的养分循环和生产力。作为地球上数量最多的生物实体，病毒在通过细胞裂解驱动微生物死亡方面发挥着关键作用。虽然病毒对海洋中养分循环的重要性已得到充分证实，但我们对病毒和细菌如何共同推动陆地生态系统中的营养循环和有机物分解的了解仍然有限。
超高温堆肥（HTC）作为一种废物处理技术，被广泛应用于降解城市或农业有机固体废物。由于嗜热细菌群落活动，在没有外源加热的情况下堆体可达到80-90°C。富含碳和氮的聚合物质（木质纤维素、蛋白质、多糖和脂类）在堆肥的嗜热阶段被降解，而缓慢降解的富含腐殖质的化合物在后期合成。这些驱动有机物降解的微生物群落的组成随着堆肥温度而动态变化。虽然温度、原料和理化堆肥特性对微生物群落组装和有机物降解的影响已被广泛研究，但对病毒在HTC过程中的作用知之甚少。
本研究中，利用工业规模的超高温堆肥实验，基于宏基因组学和宏转录组学，对细菌-病毒群落组装、丰度、功能基因活性进行了时间序列采样。发现病毒的丰度和活性与有机碳含量变化显著相关，说明病毒在HTC过程中对有机物降解发挥重要作用。特别是，病毒和细菌宿主的丰度和代谢活性动态耦联，其中嗜热病毒与其宿主联系紧密，表明在HTC过程中病毒发挥着自上而下调控作用。该作用主要是由DNA病毒驱动，其中高温DNA病毒主要通过裂解嗜热菌调控高温阶段细菌群落结构，普通常温病毒主要通过编码并表达了多种与碳循环相关的辅助代谢基因（AMGs），参与细菌有机物循环转化。
图片导读
（1）HTC过程中堆肥特性和有机物分解特征
在为期45天的HTC实验中，发酵2天后，温度迅速上升到90°C左右，并保持80°C的温度达到9天（超嗜热阶段），在第27天逐渐下降到55°C（嗜热阶段），最终在恢复到环境温度（成熟阶段)。有机质的降解速率与温度、WSC和WSN呈正相关，说明堆肥温度在养分循环起到关键性的驱动作用。
图1 HTC过程中堆肥碳氮理化性质变化特征，细菌和病毒多样性和组成
（2） HTC各阶段中细菌-病毒群落动态变化特征
通过宏基因组分析得到了1507个病毒contigs（大小>5 kb）。经过聚类去冗余后（核苷酸相似度95%，覆盖率85%以上），共保留1297个病毒操作分类单元（vOTUs）。它们主要属于双链DNA病毒（97%），其中以溶解性病毒为主（66.2%）。经比对发现，仅7.7%的vOTUs与RefSeq数据库上已知的病毒聚类，表明大多数堆肥病毒为未知的新病毒。主要属于Dividoviricota（88%）和Uroviricota（2%）门；Mesyanzhinovviridae（27.2%），Herelleviridae（18.2%），Salasmaviridae（16.4%），Autographiviridae（5.4%），Vilmaviridae（5.4%）和Matshushitaviridae（3.6%）科。与细菌相似，病毒群落的丰富度和物种组成随HTC的温度波动而变化（图1d）。总体而言，病毒群落多样性和物种组成与细菌群落结构的变化呈显著相关（图2 a-b）。
图2基于宏基因组组装细菌基因组（MAG）和病毒（vOTU）宿主关系
（3）细菌和病毒代谢活性与HTC过程中碳氮循环显著关联
基于宏转录组分析，约74%的高质量mRNA reads可以映射回宏基因组组装（MAGs）。细菌MAGs的转录活性与HTC的不同阶段温度变化密切相关（图3a）。其中嗜温细菌在初始阶段相对活跃，包括Armatimonadota（34.2%）和Actinobacteriota（22.5%）的MAGs，而嗜热菌在高嗜热阶段（D15）开始活跃，包括Deinococcota（74.0%）和Firmicutes（22.8%）。细菌群落活性的变化与堆肥理化性质显著相关，表明细菌群落是堆肥养分转化的重要参与者。
98.5%的vOTUs在堆肥不同阶段表现出代谢活性（图3b）。其中，Autographiviridae（45.5%）和Vilmaviridae（20.6%）是堆肥开始阶段最活跃的病毒（D0）。但是，在超嗜热期，Autographiviridae的活性降低到1.3%，而Matshushitaviridae的活性增加到90.2%。总体而言，嗜温病毒在堆肥开始阶段的活性相对较高，而高温病毒在超嗜热期（D15更活跃。常温病毒的活性仅与碳转化（基于TC和IC）和OM降解相关，而嗜热病毒的活性与堆肥温度和碳氮循环显著相关。以些结果表明，细菌和病毒都与HTC期间的养分循环。
图3 基于宏转录组的不同类型细菌(MAGs)和病毒(vOTUs)代谢活性比较
（4）病毒通过辅助代谢基因的表达和自上而下的细菌丰度和活性调节HTC的养分循环
基于宏基因组binning分析，227细菌MAGs均编码必需代谢基因。包括碳水化合物活性酶基因（CAZymes），氮代谢基因（如反硝化、硝酸盐还原和固氮相关基因）。这些基因的表达受到HTC的不同阶段温度的影响（图3c-e）。如CAZymes在HTC的高温阶段由嗜热菌表达（D4和D15，图3c），而氮代谢基因在堆肥的初始阶段由嗜温菌表达（图3d）。嗜热-嗜温MAGs基因组里的CAZymes、氮代谢基因的转录活性与HTC期间的养分周转呈显著正相关，表明嗜热-嗜温菌是堆肥过程中养分循环的重要驱动力。
大约4%的病毒注释ORF与碳水化合物代谢和氨基酸代谢有关。其中的75个噬菌体（以嗜温细菌MAG为宿主）内共发现90个AMGs，涉及碳水化合物代谢（n=34）、氨基酸代谢（n=14）和磷代谢（n=10）等。几乎所有鉴定出的AMGs都在堆肥过程中表达（99.5%），这表明它们在碳水化合物和胞外多糖降解中发挥的重要作用。病毒CAZyme活性与HTC过程中的碳循环呈正相关，而与氮循环无显著关系，表明嗜温病毒编码的AMGs在堆肥的常温阶段参与了碳水化合物的降解。
图4堆肥不同阶段病毒-宿主丰度和活性动态偶联
我们进一步通过病毒-宿主比值（VHR）研究了HTC中病毒-宿主动态关系。总的来说，病毒丰度明显超过了细菌丰度，病毒-宿主谱系的平均VHR在嗜热期显著增加（从73.6增加到190.1）。细菌和病毒的相对丰度紧密耦合（图4c），而嗜热和嗜温MAGs的活性与其病毒活性呈正相关（图4e）。然而，嗜温和嗜热细菌和病毒的相对丰度和活性呈负相关，在HTC过程中体现出明显的动态演替规律（图4d-f）。嗜热菌的平均VHR随堆肥温度的增加而升高，而非嗜热的MAGs的VHRs明显降低。总之，VHRs的变化与堆肥温度、WSN和OM降解率呈显著相关，说明病毒通过自上而下的密度调节宿主细菌演替。多元回归模型显示细菌和病毒群落的活性（基于MAGs和vOTUs）解释了养分周转总体变异的45.3%。与细菌相比，病毒表现出相对更大的贡献（图5a）。
图5基于非线性模型分析比较病毒和细菌群落在HTC中养分循环的重要性
小结
本研究首次利用多组学结合的方式报道了病毒在HTC过程中参与碳氮养分循环。HTC不同阶段的有机物降解速率与细菌和病毒的群落动态耦合，普通病毒群落通过编码AMGs参与堆肥碳代谢，高温病毒通过自上而下的调控宿主微生物驱动堆肥养分循环，表明病毒多样性和活性在陆地生物地球化学循环中发挥重要的作用。
以上研究得到了岭南现代农业科学与技术广东省实验室（NT2021010）、国家自然科学基金海峡联合重点项目（U21A20295）、国家自然科学基金面上项目（42277357）和福建省杰出自然基金项目（2022J06016）等项目的大力支持。
作者简介
第一作者
周桂顺
福建农林大学
资源与环境学院
教授
福建农林大学资源与环境学院特聘教授（二级），国家杰青、国家万人创新领军人才。主要从事有机固体废物资源化利用、土壤微生物电化学方面的基础理论与应用研究。主持国家自然科学基金9项（包括杰青、优青、重大研究计划、联合基金重点、面上及青年项目）、国家863、国家科技支撑计划课题、国家重点研发计划课题等重要科研项目30余项。以第一或通讯作者发表SCI论文150余篇（其中，Science Advances、Nature Communications、ISME Journal、Angew. Chem.、Nano energy、ES&T、Water Research等IF5-years>8.0论文80余篇），论文SCI他引超10000次，个人H指数64，入选“中国高被引学者”榜单。获授权国家发明专利50余件、美国发明专利2件。曾获中国青年科技奖、光华工程科技奖（青年奖）、大北农科技奖、国家科技进步二等奖（排名第五）、广东省科学技术一等奖（排名第一）、福建省自然科学一等奖（排名第一）、福建科学技术进步二等奖（排名第一）、广东省专利优秀奖（排名第一）、中国产学研合作创新成果奖一等奖（第一）、福建运盛青年科技奖、福建紫金科技创新奖、国务院政府特殊津贴。
廖汉鹏
福建农林大学
资源与环境学院
副教授，博士生导师
福建省杰出青年基金获得者（2022年），福建省C类高层次人才（2022年）。主要从事耐药基因防控与固废资源化研究，主要研究成果：证实了传统堆肥ARGs动态特征及其反弹新效应；创建了超高温堆肥ARGs高效消减新技术；揭示了除草剂诱导土壤中ARGs传播新动力。近5年发表学术论文30余篇，包括第一/通讯作者SCI论文20篇(领域内权威论文：Molecular Biology and Evolution、ISME Journal（2篇）、Environmental Science & Technology、Environmental Microbiology等)；获中国发明专利6项，美国PCT专利1项。近五年主持国家自然科学基金项目3项，国家重点研发计划子课题1项，福建省面上基金1项；入选中国植物营养与肥料学会第十届理事，福建省畜禽废弃物资源化利用技术创新联盟专家，福建农林大学“金山学者”学术新秀称号，兼任福建省土壤肥料学会秘书长。
通讯作者
Ville-Petri Friman
赫尔辛基大学物理系
教授
长期从事噬菌体、土壤生态学、植物根际生态学等方向的研究。在Nature Biotechnology、Nature Microbiology、Nature Communication、Science Advances、Ecology Letters和The ISME Journal等期刊共发表论文100多篇。
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