隱藏在森林土壤中的巨人

人們認(rèn)為不可能描述少數(shù)土壤中微生物細(xì)胞的多樣性。到目前為止，只有一小部分位于土壤中，土壤上和周圍的微生物已經(jīng)被確定為了解它們對(duì)全球碳循環(huán)和其他營(yíng)養(yǎng)循環(huán)的貢獻(xiàn)的努力的一部分。土壤也是無(wú)數(shù)病毒的家園，這些病毒可以感染微生物，影響它們調(diào)節(jié)這些全球循環(huán)的能力。

2018年11月19日，在《自然通訊》上，美國(guó)能源部聯(lián)合基因組研究所(JGI)和美國(guó)能源部科學(xué)用戶設(shè)施辦公室的研究人員首次在森林土壤生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)了巨型病毒基因組。和麻省大學(xué)阿姆赫斯特分校。顧名思義，巨型病毒的特點(diǎn)是基因組和病毒體大得不成比例，其中含有病毒的遺傳物質(zhì)。它們經(jīng)常在原生動(dòng)物和藻類中發(fā)現(xiàn)，因此它們被認(rèn)為對(duì)宿主的種群動(dòng)態(tài)和地球的生物地球化學(xué)循環(huán)有重大影響。

本研究發(fā)現(xiàn)的16種新的巨型病毒使巨型病毒的系統(tǒng)發(fā)育多樣性增加了20%以上，屬于不同的譜系。例如，一半的新病毒屬于Klosneuvirinae，使其成為Mimiviridae中最大的亞科。Schulz和Woyke此前報(bào)道，在廢水宏基因組中發(fā)現(xiàn)了一組新的巨型病毒，他們稱之為Klosneuviruses。

“這些巨型病毒在土壤生態(tài)系統(tǒng)中可能被忽視了，但如果你看看主要的衣殼蛋白，它們是條形碼或它們的片段，它們無(wú)處不在，”JGI微生物項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、研究資深作者Tanja Woyke說(shuō)。

哈佛森林中的病毒

JGI的研究科學(xué)家弗雷德里克舒爾茨發(fā)現(xiàn)了巨型病毒基因組，杰夫布蘭查德實(shí)驗(yàn)室UMass Amherst的研究生勞倫阿爾泰奧被幫助分析了她的宏基因組數(shù)據(jù)。舒爾茨說(shuō)：“與我看到的其他宏基因組數(shù)據(jù)相比，在這個(gè)采樣點(diǎn)發(fā)現(xiàn)的大量不同的巨型病毒基因組是無(wú)與倫比的。這些數(shù)據(jù)來(lái)自阿爾泰奧作為布蘭查德和JGI社區(qū)科學(xué)項(xiàng)目的一部分收集的土壤樣本。

布蘭查德正在從哈佛森林加熱和未加熱的土壤中提取參考基因組。這些數(shù)據(jù)最終將有助于理解微生物溫室氣體的排放和捕獲。通過(guò)美國(guó)能源部的SCGSR項(xiàng)目，阿爾泰奧在沃伊克實(shí)驗(yàn)室的JGI工作了一年。

近30年來(lái)，馬薩諸塞州的哈佛森林一直是世界上持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)的土壤變暖實(shí)驗(yàn)的所在地。在美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)長(zhǎng)期生態(tài)研究(LTER)項(xiàng)目的支持下，4000英畝土地的一部分埋有幾英寸深的加熱電纜，以將溫度調(diào)節(jié)到比附近控制區(qū)高5度。

布蘭查德說(shuō)：“這是首次在森林生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)巨型病毒。“土壤頂針驚人的多樣性表明，我們才剛剛開始了解它們的生物多樣性以及在土壤生態(tài)系統(tǒng)中的作用?！?

“根據(jù)基因組的大小，幾種新病毒是迄今為止發(fā)現(xiàn)的最大病毒之一，”舒爾茨總結(jié)道。“其中之一，2.4兆字節(jié)的基因組，我們將Hyperionvirus命名為世界上已知的最高的活樹?！?

較小的土壤多樣性塊

JGI的研究人員在一克土壤中含有大量微生物細(xì)胞，旨在通過(guò)將微生物轉(zhuǎn)移到只有100個(gè)細(xì)胞的幾個(gè)小池中，然后分別對(duì)這些池進(jìn)行測(cè)序來(lái)降低復(fù)雜性。當(dāng)分析來(lái)自該方法的宏基因組數(shù)據(jù)時(shí)，發(fā)現(xiàn)了15個(gè)新的巨病毒基因組。相比之下，只有一個(gè)巨大的病毒基因組使用標(biāo)準(zhǔn)的、社區(qū)范圍的獵槍元基因組方法來(lái)回收大量的森林土壤樣本，盡管對(duì)這些大型土壤樣本的測(cè)序更深入。

“這種非標(biāo)準(zhǔn)的方法故意將多樣性分解成更小的部分。如果我們只是用通常的方法，我們將完全錯(cuò)過(guò)這些巨大的病毒，”JGI科學(xué)家和合著者雷克斯馬爾默斯特羅姆說(shuō)。

“土壤中巨大病毒的豐富程度令人矚目，這些神秘實(shí)體無(wú)處不在的本質(zhì)得到了強(qiáng)調(diào)。這些病毒中的大多數(shù)仍然沒(méi)有被充分探索，”舒爾茨說(shuō)。

Woyke同意這些新的巨型病毒基因組的發(fā)現(xiàn)只是一個(gè)開始?！巴寥酪呀?jīng)成為一個(gè)被忽視的生態(tài)系統(tǒng)，病毒多樣性極大，研究主要集中在水生環(huán)境。未結(jié)合的宏基因組土壤數(shù)據(jù)顯示，哈佛森林土壤中巨型病毒的多樣性遠(yuǎn)高于本研究中回收的16個(gè)基因組，但用傳統(tǒng)方法獲取基因組是一個(gè)挑戰(zhàn)。這一發(fā)現(xiàn)表明，土壤應(yīng)被視為巨型病毒的共培養(yǎng)目標(biāo)?！?

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