病毒调控MGII古菌参与河口碳氮循环的机制研究

Estuarine organic matter degradation is the key process impacting marine carbon and nitrogen cycling. Marine Group II (MGII) Archaea are important players in organic matter degradation at coastal and estuarine waters. Their abundance is closely connected to algal blooming. MGII archaeal viruses (Magroviruses) are among the most abundant viral populations in global seawater. They can selectively infect MGII archaea. However, it is unknown of the mechanism of magroviruses in regulation of estuarine algal organic matter degradation. We propose the hypothesis that magroviruses influence estuarine organic matter degradation by selectively lysing host cells and regulating the community structure of MGII archaea. The study will include (1) The diversity and differential expression of organic matter degradation pathways of estuarine MGII archaea by metagenomics and transcriptomics; (2) the lytic rates of magroviruses infecting specific MGII archaeal groups by utilizing HiC-Meta sequencing, single-cell sequencing, and in situ measurements of lytic rate. The proposal is going to untangle the complex interactions between uncultured marine miroorganisms and viruses at strain-level, quantify the impact of magroviruses in estuarine organic matter degradation and uncover a crucial component in estuarine carbon and nitrogen cycling.

河口有机质降解是影响海洋碳氮元素循环的关键过程。MGII古菌在河口有机质降解中发挥着重要且独特的作用，与藻类勃发密切相关。MGII古菌病毒是海水中丰度最高的病毒类群之一，能选择性侵染MGII古菌。但目前尚不清楚MGII古菌病毒在调节河口区藻类有机质降解过程中的机制。本申请科学假设：病毒通过选择性裂解调节河口MGII古菌群落结构，影响其降解有机质的过程。研究内容包括：（1）通过宏基因组和转录组分析，调查河口MGII古菌有机质降解通路的多样性和表达差异；（2）通过HiC-Meta测序、单细胞测序和原位培养，测定病毒裂解河口MGII古菌特定种群的速率。本申请将在菌株水平揭示难培养微生物与病毒之间复杂的互作关系，量化MGII古菌病毒对河口有机质降解过程的影响，从而为构建完整的河口碳氮循环模型填补关键的一环。

微生物推动的藻类有机质降解是河口碳氮循环中最关键的过程之一，病毒在调节河口细菌的有机质降解过程中扮演了重要角色。MGII古菌病毒是海水中第三大类病毒，丰度仅次于第一和第二大类的蓝藻病毒和远洋杆菌病毒，但目前尚不明确MGII古菌在河口的时空分布及生态功能如何受到病毒的影响。本项目研究内容：（1）珠江口MGII古菌地理分布与藻类互作关联特征，发现在珠江羽流区和南海北部开放海区不同的MGII群落组成受不同藻类分布的影响，揭示了不同海区域特征性的藻类有机质与MGII古菌类群分布的关系。（2）构建全球河口MGII古菌与病毒基因组和互作关系数据集。是迄今为止第一个全球河口微生物基因组数据集。有效填补了河口关键带相关数据的空白，将为推动人类活动密集的河口三角洲区域生物地球化学研究做出重要贡献。（3）通过对全球河口MGII基因组库的分析，发现在半咸水区域特异性富集的多个MGII新类群，在演化树上相对独立，其对有机质底物的代谢特异性与海洋MGII类群存在显著差异。蛋白组等电点分析证实这些半咸水类群是长期演化的结果，并且与一个关键基因——镁离子通道蛋白CorA在基因组中的重排密切相关。该基因在基因组中与一个抗逆基因簇耦合，可以帮助MGII古菌适应河口剧烈盐度波动。（4）使用同源比对的方法从河口和内海环境中挖掘出235个MGII古菌病毒基因组，进一步将MGII古菌病毒划分为6个科和9个属，揭示了河口MGII古菌病毒丰富的多样性。表明MGII病毒与噬盐古菌头尾状病毒和MGI头尾状病毒有着密切的进化关系。（5）发现了病毒调节MGII古菌代谢活性的分子机制，MGII病毒可能在感染过程中通过辅助代谢作用参与宿主MGII细胞的多种代谢过程，对生物地球化学循环具有重要贡献。本项目的研究成果首次揭示了盐度在河口微生物和病毒互作演化中的关键决定作用，从而厘清了病毒对MGII古菌降解河口有机质过程的调节机制，对理解河口表层碳氮循环过程和病毒及其宿主协同演化机制与环境的关系具有重要意义。