病毒是土壤生態(tài)系統(tǒng)中普遍存在的生物實(shí)體，據(jù)保守估算，全球病毒粒子數(shù)量達(dá)到10^31個(gè)，這相當(dāng)于現(xiàn)今可觀察宇宙的恒星數(shù)量。噬菌體是一類以細(xì)菌為宿主的病毒。

通常來講，噬菌體的基因組長(zhǎng)度在40-50kbp左右。但有一類特殊的噬菌體-巨噬菌體，它的基因組長(zhǎng)度會(huì)超過200kbp，甚至大于一些細(xì)菌的基因組大小，因此一些生物學(xué)家認(rèn)為巨噬菌體可能是介導(dǎo)生命與非生命體之間演化的重要橋梁。目前對(duì)于巨噬菌體的起源主要存在兩種假說，一種認(rèn)為巨噬菌體多點(diǎn)起源于普通的小噬菌體；而另一種認(rèn)為其起源于遠(yuǎn)古細(xì)菌，是細(xì)菌不斷丟失自身細(xì)胞所需基因而形成的一類特殊生命。

已有研究發(fā)現(xiàn)巨噬菌體攜帶許多特殊功能，比如它能夠通過編碼CRISPR V型系統(tǒng)來增強(qiáng)宿主的免疫能力，在宿主細(xì)胞內(nèi)形成一種特殊的類細(xì)胞核結(jié)構(gòu)以保護(hù)自己的DNA復(fù)制。然而由于分離及測(cè)序技術(shù)限制，巨噬菌體還很難被純化培養(yǎng)或者被宏基因組拼接獲得。至今通過分離培養(yǎng)的巨噬菌體物種數(shù)僅有一百余個(gè)，宏基因組組裝獲得的巨噬菌體物種數(shù)尚不超過一千個(gè)，并且絕大數(shù)來源于水體和動(dòng)物腸道。目前幾乎沒有文章探討土壤巨噬菌體群落的演化及生態(tài)意義，我們對(duì)于土壤巨噬菌體群落物種多樣性，演化起源及其功能特征仍缺乏了解。

中國(guó)科學(xué)院城市環(huán)境研究所朱永官院士團(tuán)隊(duì)蘇建強(qiáng)研究組采集了青藏高原冰川退化區(qū)0到130年年代序列的土壤樣品。通過改良土壤病毒組富集技術(shù)，研究團(tuán)隊(duì)在巨噬菌體研究方面主要取得以下幾點(diǎn)突破：

（1）發(fā)現(xiàn)了412個(gè)新的巨噬菌體種群，通過與全球巨噬菌體的系統(tǒng)演化比較，表明這些新發(fā)現(xiàn)種群擴(kuò)張了超70 %的巨噬菌體系統(tǒng)演化多樣性。

（2）通過構(gòu)建全球巨噬菌體保守核心蛋白質(zhì)組隱馬科夫模型，發(fā)現(xiàn)來源于冰川退化區(qū)99 %以上的小噬菌體完整基因組編碼的巨噬菌體核心蛋白質(zhì)組同源序列不會(huì)超過四個(gè)，表明巨噬菌體與小噬菌體具有顯著不同的基因組成及演化路徑。

（3）進(jìn)一步通過搜索攜帶超過四個(gè)巨噬菌體核心蛋白同源序列的低質(zhì)量病毒基因組（<200 kbp 和 >50 kbp），研究團(tuán)隊(duì)確定了超一千個(gè)隱藏于短片段噬菌體重疊群中的潛在巨噬菌體基因組，暗示巨噬菌體在土壤生態(tài)系統(tǒng)中扮演的許多特殊角色可能被掩蓋。

（4）通過巨噬菌體與普通小噬菌體的功能基因比較分析，發(fā)現(xiàn)巨噬菌體攜帶豐富的CRISPR-Cas12系統(tǒng)，核糖體編碼基因以及多種核苷酸，碳代謝相關(guān)基因，而普通小噬菌體主要編碼噬菌體自身DNA復(fù)制，病毒粒子組裝及結(jié)構(gòu)相關(guān)蛋白。

（5）研究團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)土壤巨噬菌體群落結(jié)構(gòu)，功能組成及演化模式在冰川退化前期（0-40年）和后期（41-130年）存在顯著差異。相較于冰川退化前期，冰川退化后期分布的巨噬菌體具有更高的物種及系統(tǒng)演化多樣性，以及遺傳變異，并且編碼更少的宿主抗逆代謝通路相關(guān)基因。

研究成果以Evolutionary diversification and succession of soil huge phages in glacier foreland為題，發(fā)表在微生物學(xué)領(lǐng)域內(nèi)頂級(jí)期刊Microbiome。中國(guó)科學(xué)院城市環(huán)境研究所特別研究助理廖虎為第一作者，蘇建強(qiáng)研究員為通訊作者。朱永官院士等對(duì)論文進(jìn)行了指導(dǎo)。研究工作得到第二次青藏高原科考項(xiàng)目 (STEP, 2021QZKK0103)，國(guó)家自然科學(xué)基金（面上項(xiàng)目：4237070301，中比國(guó)際合作項(xiàng)目：42161134002）以及中國(guó)科學(xué)院特別研究助理項(xiàng)目的支持。

論文鏈接

冰川退化區(qū)巨噬菌體物種系統(tǒng)演化多樣性及其編碼的CRISPR-Cas V型系統(tǒng)多樣性