DOI：https://doi.org/10.1038/s41467-025-63162-2
摘要
病毒与宿主的相互作用对微生物群落的生态学和进化至关重要，但在全球变化下它们对环境压力源的应对策略知之甚少。本研究进行了为期10个月的户外培养实验，模拟了多营养淡水浅湖生态系统。实验采用由八个处理组成的全析因设计，每个处理有六个重复，以评估气候变暖、养分增加和农药胁迫对DNA病毒群落及其与微生物宿主相互作用的个体和综合影响。通过宏基因组测序，研究人员回收了12,359个病毒OTU和1628个独特的原核宏基因组组装基因组。分析表明，养分和农药负荷的结合通过协同减少病毒α多样性，同时改变β多样性和捕食者-猎物联系，造成了重大破坏。压力源简化了病毒-细菌跨域网络，其中养分-农药组合发挥了影响最大，农药会弱化变暖的影响。压力驱动的变化会影响病毒辅助代谢基因的丰度和组成，导致病毒介导的代谢途径在多种压力条件下发生复杂的变化。这些发现强调了了解病毒对微生物群落的调节作用对于有效应对全球变化带来的挑战的重要性。
方法
图1 实验设计
共设计8个处理：C对照，W增温，E养分，P吡虫啉，WP增温+吡虫啉，EP养分+吡虫啉，WE
增温+养分，WEP增温+养分+吡虫啉，每个处理6个重复。
具体实验方法参照原文
进行了宏基因组测序，病毒重叠群鉴定、分类学分类和生活方式预测，vOTU 和 MAG 的丰度量化，病毒的宿主预测，病毒辅助代谢基因的鉴定和功能性注释。
结果
图2 多压力源对病毒群落的影响
研究发现，所有处理组共享了1733个病毒操作分类单元（vOTU），而与单个处理独特相关的vOTU数量为909个，其中对照组（C组）拥有最多的独特vOTU（171个），其次是养分负荷组（E组，161个）。温带病毒比例在营养负荷条件下略有增加，但在营养物质和吡虫啉负荷共同作用下，温带病毒比例表现出较大差异。营养物质和吡虫啉负荷的共同作用显著降低了病毒的α多样性，尽管单一因素影响有限。气候变暖、养分负荷和吡虫啉负荷均显著改变了病毒的β多样性，且营养物质和吡虫啉负荷之间存在显著的综合效应。宿主群落方面，所有处理组中共有284个宏基因组组装基因组（MAGs），EP组具有最独特的MAGs（16个）。环境压力源的综合影响对病毒和宿主群落结构的影响更为显著，强调了考虑多种压力源相互作用的必要性。
图3 多压力对病毒-宿主互作的影响。
研究识别了3455个病毒OTU与宏基因组组装基因组（MAGs）之间的联系，涉及17个宿主门。研究发现，多种压力源能够破坏病毒与宿主之间的捕食者-猎物联系，这种影响因病毒的生活方式而异。
在杀虫剂的条件下，以及养分和杀虫剂的条件下，病毒与宿主之间的比值（VHR）显著升高。对于烈性病毒，这种趋势在整个病毒群落中也有所体现，可能是由于在这些处理中烈性病毒在丰度组成中占比较高。而对于温和病毒，养分和杀虫剂的联合效应显著破坏了捕食者-猎物联系，但在变暖条件下这种效应不太明显。
不同环境压力源对病毒与宿主相互作用的影响在不同的分类群中存在差异。例如，变暖降低了某些特定谱系（如Planctomycetota门的UBA1268和Cyanobacteriota门的Nostocaceae）的相互作用相关性，而增强了其他谱系（如Actinomycetota门的UBA5976和Nanopelagicaceae）的相关性。表明，多压力对病毒与宿主相互作用的影响复杂多样，强调了在评估环境压力源对微生物群落的调控作用时，需要考虑这些压力源如何在不同分类群中产生差异性影响。
图4 多种压力对病毒-细菌跨域网络的影响。
气候变暖、养分和杀虫剂的单独或联合作用显著改变了病毒与细菌之间的相互作用网络，导致网络结构的显著简化。具体来说，养分负荷单独作用时会增加网络的复杂性和稳定性，但当与杀虫剂负荷联合时，会显著破坏网络，导致网络简化且稳定性降低。
气候变暖和杀虫剂负荷单独作用时，会减少网络中的节点数、连接数和平均连接度，同时增加平均路径长度、连通分量数和相对模块化程度，从而降低网络的稳定性和复杂性。然而，当气候变暖与杀虫剂负荷联合时，这两种压力源之间存在拮抗效应，缓解了各自单独作用时对网络复杂性和稳定性的负面影响。
此外，研究人员还发现，病毒与细菌之间的相互作用网络对环境压力源的响应具有一定的非加和性。例如，养分和杀虫剂的联合负荷对网络的影响大于各自单独作用时的影响。这些结果表明，环境压力源对病毒与细菌相互作用网络的影响不仅取决于压力源的类型，还取决于它们之间的相互作用。研究强调了在评估环境压力源对生态系统功能的影响时，需要考虑多种压力源的联合效应，以及这些效应如何通过改变病毒与宿主之间的相互作用网络来影响微生物群落的结构和功能。
图5 多种压力对病毒辅助代谢基因（AMG）的影响.
研究识别了2996个与潜在代谢功能相关的AMGs，涉及100个KEGG Orthology（KO）条目，这些基因主要参与代谢活动。研究发现，养分和杀虫剂负荷的联合效应显著降低了AMGs的丰富度，并且改变了这些基因的组成。
具体来说，每种环境压力源——气候变暖、养分和杀虫剂——单独作用时都会导致AMGs组成的显著变化。特别是养分和杀虫剂负荷的联合效应进一步放大了这些变化。这些压力源不仅直接影响特定代谢途径中基因的丰度，还可能通过影响上游和下游基因来间接改变代谢途径中的物质形成，从而影响整体代谢活动。
在养分和杀虫剂联合处理下，一些AMGs（如acpP、cobS、deoC、EARS、queC、wbpD）与对照组相比，其丰度差异较小；而其他基因（如argH、dut、glnA、kdsB）的丰度差异则进一步放大。此外，某些基因（如pyrB）的丰度变化方向在联合处理条件下与单独处理条件下相反。结果表明，环境压力源对AMGs的影响是复杂的，并且在多种压力源共同作用下，这种影响更加显著。
尽管宏基因组测序可以揭示AMGs的存在，但它并不能提供这些基因的实际表达情况。部分宏转录组数据的分析表明，从宏基因组中恢复的病毒序列中有相当一部分是活跃的，并且这些AMGs在多个代谢途径中表达丰富，表明它们在宿主代谢过程中具有调控作用。未来的研究将通过整合转录组学来进一步探索在多种压力源下AMGs的表达差异，从而更全面地理解它们的功能相关性。
总的来说，这一节的研究结果强调了环境压力源对病毒AMGs的显著影响，这些影响可能通过改变病毒对宿主代谢的调控作用，进而影响生物地球化学循环。这些发现突出了在评估环境变化对生态系统功能的影响时，考虑病毒AMGs的重要性。
