第一作者：廖漢鵬

通訊作者：周順桂，Ville-Petri Friman

在線發(fā)表時間：2023.04.08

論文網(wǎng)頁：https://doi.org/10.1038/s41396-023-01404-1

DOI號：10.1038/s41396-023-01404-1

圖片摘要

成果簡介

????????近日，福建農(nóng)林大學資源與環(huán)境學院周順桂教授團隊在在微生物生態(tài)著名期刊《The ISME Journal》上發(fā)表題為“Mesophilic and thermophilic viruses are associated with nutrient cycling during hyperthermophilic composting”的研究論文。文章結(jié)合宏基因組學和宏轉(zhuǎn)錄組學首次發(fā)現(xiàn)了嗜熱高溫病毒參與超高溫堆肥（HTC）過程中碳氮養(yǎng)分轉(zhuǎn)化。以往傳統(tǒng)認識高溫堆肥過程的C-N等養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化主要由細菌和真菌等微生物驅(qū)動，關(guān)于病毒是否影響參與養(yǎng)分循環(huán)未知。本研究發(fā)現(xiàn)，不同耐熱病毒(嗜溫-嗜熱病毒)在HTC過程中與其宿主微生物動態(tài)耦聯(lián)，裂解性噬菌體通過自上而下（top-down）的策略調(diào)控宿主細菌群落演替。其中高溫DNA病毒主要通過裂解作用調(diào)控嗜熱菌群落結(jié)構(gòu)，而常溫病毒則通過表達大量與碳相關(guān)的輔助代謝基因（AMGs）介導(dǎo)有機碳轉(zhuǎn)化。本研究為病毒參與人工高溫生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)提供了新認識，也啟示病毒在極端環(huán)境的代謝功能被大量的低估，為將來應(yīng)用病毒調(diào)控生物技術(shù)和農(nóng)業(yè)系統(tǒng)提供新的啟示。

引言

????????有機物的分解是一個關(guān)鍵的生態(tài)系統(tǒng)過程，影響著陸地生態(tài)系統(tǒng)的養(yǎng)分循環(huán)和生產(chǎn)力。作為地球上數(shù)量最多的生物實體，病毒在通過細胞裂解驅(qū)動微生物死亡方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。雖然病毒對海洋中養(yǎng)分循環(huán)的重要性已得到充分證實，但我們對病毒和細菌如何共同推動陸地生態(tài)系統(tǒng)中的營養(yǎng)循環(huán)和有機物分解的了解仍然有限。

????????超高溫堆肥（HTC）作為一種廢物處理技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于降解城市或農(nóng)業(yè)有機固體廢物。由于嗜熱細菌群落活動，在沒有外源加熱的情況下堆體可達到80-90°C。富含碳和氮的聚合物質(zhì)（木質(zhì)纖維素、蛋白質(zhì)、多糖和脂類）在堆肥的嗜熱階段被降解，而緩慢降解的富含腐殖質(zhì)的化合物在后期合成。這些驅(qū)動有機物降解的微生物群落的組成隨著堆肥溫度而動態(tài)變化。雖然溫度、原料和理化堆肥特性對微生物群落組裝和有機物降解的影響已被廣泛研究，但對病毒在HTC過程中的作用知之甚少。

????????本研究中，利用工業(yè)規(guī)模的超高溫堆肥實驗，基于宏基因組學和宏轉(zhuǎn)錄組學，對細菌-病毒群落組裝、豐度、功能基因活性進行了時間序列采樣。發(fā)現(xiàn)病毒的豐度和活性與有機碳含量變化顯著相關(guān)，說明病毒在HTC過程中對有機物降解發(fā)揮重要作用。特別是，病毒和細菌宿主的豐度和代謝活性動態(tài)耦聯(lián)，其中嗜熱病毒與其宿主聯(lián)系緊密，表明在HTC過程中病毒發(fā)揮著自上而下調(diào)控作用。該作用主要是由DNA病毒驅(qū)動，其中高溫DNA病毒主要通過裂解嗜熱菌調(diào)控高溫階段細菌群落結(jié)構(gòu)，普通常溫病毒主要通過編碼并表達了多種與碳循環(huán)相關(guān)的輔助代謝基因（AMGs），參與細菌有機物循環(huán)轉(zhuǎn)化。

圖片導(dǎo)讀

（1）HTC過程中堆肥特性和有機物分解特征

????????在為期45天的HTC實驗中，發(fā)酵2天后，溫度迅速上升到90°C左右，并保持80°C的溫度達到9天（超嗜熱階段），在第27天逐漸下降到55°C（嗜熱階段），最終在恢復(fù)到環(huán)境溫度（成熟階段)。有機質(zhì)的降解速率與溫度、WSC和WSN呈正相關(guān)，說明堆肥溫度在養(yǎng)分循環(huán)起到關(guān)鍵性的驅(qū)動作用。

（2）?HTC各階段中細菌-病毒群落動態(tài)變化特征

????????通過宏基因組分析得到了1507個病毒contigs（大小>5 kb）。經(jīng)過聚類去冗余后（核苷酸相似度95%，覆蓋率85%以上），共保留1297個病毒操作分類單元（vOTUs）。它們主要屬于雙鏈DNA病毒（97%），其中以溶解性病毒為主（66.2%）。經(jīng)比對發(fā)現(xiàn)，僅7.7%的vOTUs與RefSeq數(shù)據(jù)庫上已知的病毒聚類，表明大多數(shù)堆肥病毒為未知的新病毒。主要屬于Dividoviricota（88%）和Uroviricota（2%）門；Mesyanzhinovviridae（27.2%），Herelleviridae（18.2%），Salasmaviridae（16.4%），Autographiviridae（5.4%），Vilmaviridae（5.4%）和Matshushitaviridae（3.6%）科。與細菌相似，病毒群落的豐富度和物種組成隨HTC的溫度波動而變化（圖1d）。總體而言，病毒群落多樣性和物種組成與細菌群落結(jié)構(gòu)的變化呈顯著相關(guān)（圖2 a-b）。

（3）細菌和病毒代謝活性與HTC過程中碳氮循環(huán)顯著關(guān)聯(lián)

????????基于宏轉(zhuǎn)錄組分析，約74%的高質(zhì)量mRNA reads可以映射回宏基因組組裝（MAGs）。細菌MAGs的轉(zhuǎn)錄活性與HTC的不同階段溫度變化密切相關(guān)（圖3a）。其中嗜溫細菌在初始階段相對活躍，包括Armatimonadota（34.2%）和Actinobacteriota（22.5%）的MAGs，而嗜熱菌在高嗜熱階段（D15）開始活躍，包括Deinococcota（74.0%）和Firmicutes（22.8%）。細菌群落活性的變化與堆肥理化性質(zhì)顯著相關(guān)，表明細菌群落是堆肥養(yǎng)分轉(zhuǎn)化的重要參與者。

98.5%的vOTUs在堆肥不同階段表現(xiàn)出代謝活性（圖3b）。其中，Autographiviridae（45.5%）和Vilmaviridae（20.6%）是堆肥開始階段最活躍的病毒（D0）。但是，在超嗜熱期，Autographiviridae的活性降低到1.3%，而Matshushitaviridae的活性增加到90.2%。總體而言，嗜溫病毒在堆肥開始階段的活性相對較高，而高溫病毒在超嗜熱期（D15更活躍。常溫病毒的活性僅與碳轉(zhuǎn)化（基于TC和IC）和OM降解相關(guān)，而嗜熱病毒的活性與堆肥溫度和碳氮循環(huán)顯著相關(guān)。以些結(jié)果表明，細菌和病毒都與HTC期間的養(yǎng)分循環(huán)。

（4）病毒通過輔助代謝基因的表達和自上而下的細菌豐度和活性調(diào)節(jié)HTC的養(yǎng)分循環(huán)

????????基于宏基因組binning分析，227細菌MAGs均編碼必需代謝基因。包括碳水化合物活性酶基因（CAZymes），氮代謝基因（如反硝化、硝酸鹽還原和固氮相關(guān)基因）。這些基因的表達受到HTC的不同階段溫度的影響（圖3c-e）。如CAZymes在HTC的高溫階段由嗜熱菌表達（D4和D15，圖3c），而氮代謝基因在堆肥的初始階段由嗜溫菌表達（圖3d）。嗜熱-嗜溫MAGs基因組里的CAZymes、氮代謝基因的轉(zhuǎn)錄活性與HTC期間的養(yǎng)分周轉(zhuǎn)呈顯著正相關(guān)，表明嗜熱-嗜溫菌是堆肥過程中養(yǎng)分循環(huán)的重要驅(qū)動力。

????????大約4%的病毒注釋ORF與碳水化合物代謝和氨基酸代謝有關(guān)。其中的75個噬菌體（以嗜溫細菌MAG為宿主）內(nèi)共發(fā)現(xiàn)90個AMGs，涉及碳水化合物代謝（n=34）、氨基酸代謝（n=14）和磷代謝（n=10）等。幾乎所有鑒定出的AMGs都在堆肥過程中表達（99.5%），這表明它們在碳水化合物和胞外多糖降解中發(fā)揮的重要作用。病毒CAZyme活性與HTC過程中的碳循環(huán)呈正相關(guān)，而與氮循環(huán)無顯著關(guān)系，表明嗜溫病毒編碼的AMGs在堆肥的常溫階段參與了碳水化合物的降解。

????????我們進一步通過病毒-宿主比值（VHR）研究了HTC中病毒-宿主動態(tài)關(guān)系?？偟膩碚f，病毒豐度明顯超過了細菌豐度，病毒-宿主譜系的平均VHR在嗜熱期顯著增加（從73.6增加到190.1）。細菌和病毒的相對豐度緊密耦合（圖4c），而嗜熱和嗜溫MAGs的活性與其病毒活性呈正相關(guān)（圖4e）。然而，嗜溫和嗜熱細菌和病毒的相對豐度和活性呈負相關(guān)，在HTC過程中體現(xiàn)出明顯的動態(tài)演替規(guī)律（圖4d-f）。嗜熱菌的平均VHR隨堆肥溫度的增加而升高，而非嗜熱的MAGs的VHRs明顯降低?？傊?，VHRs的變化與堆肥溫度、WSN和OM降解率呈顯著相關(guān)，說明病毒通過自上而下的密度調(diào)節(jié)宿主細菌演替。多元回歸模型顯示細菌和病毒群落的活性（基于MAGs和vOTUs）解釋了養(yǎng)分周轉(zhuǎn)總體變異的45.3%。與細菌相比，病毒表現(xiàn)出相對更大的貢獻（圖5a）。

小結(jié)

????????本研究首次利用多組學結(jié)合的方式報道了病毒在HTC過程中參與碳氮養(yǎng)分循環(huán)。HTC不同階段的有機物降解速率與細菌和病毒的群落動態(tài)耦合，普通病毒群落通過編碼AMGs參與堆肥碳代謝，高溫病毒通過自上而下的調(diào)控宿主微生物驅(qū)動堆肥養(yǎng)分循環(huán)，表明病毒多樣性和活性在陸地生物地球化學循環(huán)中發(fā)揮重要的作用。

????????以上研究得到了嶺南現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學與技術(shù)廣東省實驗室（NT2021010）、國家自然科學基金海峽聯(lián)合重點項目（U21A20295）、國家自然科學基金面上項目（42277357）和福建省杰出自然基金項目（2022J06016）等項目的大力支持。

作者簡介

第一作者

周桂順?

福建農(nóng)林大學

資源與環(huán)境學院

教授

福建農(nóng)林大學資源與環(huán)境學院特聘教授（二級），國家杰青、國家萬人創(chuàng)新領(lǐng)軍人才。主要從事有機固體廢物資源化利用、土壤微生物電化學方面的基礎(chǔ)理論與應(yīng)用研究。主持國家自然科學基金9項（包括杰青、優(yōu)青、重大研究計劃、聯(lián)合基金重點、面上及青年項目）、國家863、國家科技支撐計劃課題、國家重點研發(fā)計劃課題等重要科研項目30余項。以第一或通訊作者發(fā)表SCI論文150余篇（其中，Science Advances、Nature Communications、ISME Journal、Angew. Chem.、Nano energy、ES&T、Water Research等IF5-years>8.0論文80余篇），論文SCI他引超10000次，個人H指數(shù)64，入選“中國高被引學者”榜單。獲授權(quán)國家發(fā)明專利50余件、美國發(fā)明專利2件。曾獲中國青年科技獎、光華工程科技獎（青年獎）、大北農(nóng)科技獎、國家科技進步二等獎（排名第五）、廣東省科學技術(shù)一等獎（排名第一）、福建省自然科學一等獎（排名第一）、福建科學技術(shù)進步二等獎（排名第一）、廣東省專利優(yōu)秀獎（排名第一）、中國產(chǎn)學研合作創(chuàng)新成果獎一等獎（第一）、福建運盛青年科技獎、福建紫金科技創(chuàng)新獎、國務(wù)院政府特殊津貼。

廖漢鵬

福建農(nóng)林大學

資源與環(huán)境學院

副教授，博士生導(dǎo)師

福建省杰出青年基金獲得者（2022年），福建省C類高層次人才（2022年）。主要從事耐藥基因防控與固廢資源化研究，主要研究成果：證實了傳統(tǒng)堆肥ARGs動態(tài)特征及其反彈新效應(yīng)；創(chuàng)建了超高溫堆肥ARGs高效消減新技術(shù)；揭示了除草劑誘導(dǎo)土壤中ARGs傳播新動力。近5年發(fā)表學術(shù)論文30余篇，包括第一/通訊作者SCI論文20篇(領(lǐng)域內(nèi)權(quán)威論文：Molecular Biology and Evolution、ISME Journal（2篇）、Environmental Science & Technology、Environmental Microbiology等)；獲中國發(fā)明專利6項，美國PCT專利1項。近五年主持國家自然科學基金項目3項，國家重點研發(fā)計劃子課題1項，福建省面上基金1項；入選中國植物營養(yǎng)與肥料學會第十屆理事，福建省畜禽廢棄物資源化利用技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟專家，福建農(nóng)林大學“金山學者”學術(shù)新秀稱號，兼任福建省土壤肥料學會秘書長。

通訊作者

Ville-Petri Friman

赫爾辛基大學物理系

教授

長期從事噬菌體、土壤生態(tài)學、植物根際生態(tài)學等方向的研究。在Nature Biotechnology、Nature Microbiology、Nature Communication、Science Advances、Ecology Letters和The ISME Journal等期刊共發(fā)表論文100多篇。

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