《Journal of Advanced Research》：Spatial heterogeneity of viral communities across the gastrointestinal tracts of ruminants
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本研究针对反刍动物胃肠道病毒群落认知不足的问题，通过整合多组学数据构建了首个全面的反刍动物胃肠道病毒目录（RGVC），揭示病毒群落空间异质性主要受消化道区域驱动而非宿主种类，并发现溶原性病毒通过携带辅助代谢基因（AMG）与宿主形成互利关系，为调控瘤胃功能提供了新视角。
在反刍动物的消化系统中，存在着一个复杂而精密的微生物生态系统，其中病毒作为最丰富的生物实体，长期以来如同深海中的暗流，其真实面貌和功能一直未被完全揭示。尽管我们对细菌和古菌群落在反刍动物胃肠道（Gastrointestinal Tract, GIT）中的作用已有较多了解，但对于病毒群落的多样性、它们与宿主的相互作用以及其生态功能仍知之甚少。这种认知差距限制了我们对反刍动物消化代谢过程中病毒所扮演角色的理解，也阻碍了通过调控病毒群落来改善反刍动物健康、提高饲料利用效率以及减少甲烷排放等潜在应用的开发。
反刍动物与单胃动物不同，拥有包含四个室（瘤胃、网胃、瓣胃和皱胃）的复胃结构，这种特殊解剖结构使其能够高效消化富含纤维素的植物材料。胃肠道内丰富的微生物群落（包括细菌、古菌、真菌、原生动物和病毒）共同协作，将纤维素等复杂碳水化合物转化为挥发性脂肪酸和微生物蛋白供宿主利用。然而，这一过程也伴随着甲烷的生成，而甲烷作为一种强效温室气体，对全球气候变化产生重要影响。因此，深入解析反刍动物胃肠道微生物组，特别是病毒组的结构和功能，对于理解反刍动物营养生理和减少环境足迹具有重要意义。
为了系统揭示反刍动物胃肠道病毒群落的多样性和功能特征，研究人员开展了一项大规模的多组学研究。该研究收集了来自7种反刍动物10个胃肠道区域的373个宏基因组样本，结合Illumina、PacBio HiFi和Nanopore三种测序技术，产生了总计6.7 Tb的测序数据。通过整合序列同源性、病毒标志基因识别和k-mer机器学习等多种方法，研究团队成功构建了反刍动物胃肠道病毒目录（Ruminant Gastrointestinal Virome Catalog, RGVC），包含43,981个病毒操作分类单元（vOTU），其中近89%为新发现的病毒，显著扩展了已知的病毒多样性范围。
研究采用的关键技术方法包括：多平台测序技术结合de novo组装获取高质量contig；五种互补的病毒识别方法确保病毒鉴定的全面性和准确性；CheckV评估病毒基因组完整性和去除宿主序列；vConTACT2进行病毒聚类分析；CoverM进行病毒丰度定量；CRISPR阵列、tRNA匹配和核苷酸同源性三种方法预测病毒-宿主关联；DRAM工具注释辅助代谢基因（AMG）；以及AlphaFold3预测蛋白质三维结构。
病毒群落组成与空间分布
研究结果显示，反刍动物胃肠道病毒群落具有极高的多样性，且这种多样性主要受胃肠道区域而非反刍动物物种驱动。病毒群落的组成在胃肠道不同区域间存在显著差异，其中瘤胃病毒的丰富度最高，占病毒总数的42.4%。非度量多维尺度分析（NMDS）表明，胃肠道区域对病毒群落结构的解释方差（31.2%）高于反刍动物物种（22.1%），凸显了胃肠道区域是病毒群落构建的主要驱动因素。Alpha多样性分析显示，胃部和大型肠道具有最高的Shannon指数和Chao1丰富度，而小型肠道由于胆汁酸、强免疫活性和快速食糜通过等因素，病毒多样性相对较低。
病毒-宿主关联网络
研究成功建立了5,954个vOTU与4,603个推定原核宿主之间的15,283对病毒-宿主关联。这些宿主涵盖31个细菌类和3个古菌类，其中Clostridia（51.8%）和Bacteroidia（28.3%）是最主要的宿主类群。有趣的是，病毒与宿主丰度在不同胃肠道区域间呈现显著正相关（R2= 0.91），表病毒与其宿主之间存在密切的协同变化关系。这种紧密的关联表明病毒与宿主之间可能存在互利共存的关系，符合"搭便车获胜"（piggyback-the-winner）理论模型。
病毒生活方式特征
研究发现溶原性生活方式在反刍动物胃肠道病毒中占主导地位，约45.6%的vOTU被鉴定为溶原性病毒。这些病毒携带多种溶原性特异基因，如整合酶、重组酶、转座酶、解离酶和切除酶等，其中整合酶基因（PF00589家族）最为常见。溶原性病毒的比例随病毒基因组完整性的提高而增加，在高质量（>90%完整性）和完整基因组中分别达到52.5%和59.9%，表明溶原性是反刍动物胃肠道病毒的主要生存策略。不同胃肠道区域和宿主类群中溶原性病毒的比例存在变异，反映了病毒对局部环境条件的适应性。
病毒编码的辅助代谢功能
研究在446个溶原性病毒中鉴定出864个AMG，其中610个为Ⅰ类AMG（直接参与KEGG代谢通路），254个为Ⅱ类AMG（编码辅助功能如CAZyme和肽酶等）。这些AMG广泛参与氨基酸代谢（259个）、核苷酸代谢（223个）、碳水化合物和能量代谢等多个关键代谢途径。特别是发现了参与多糖降解的糖苷水解酶（GH）、糖酵解途径的葡萄糖-6-磷酸异构酶（GPI）以及Wood-Ljungdahl途径的甲酸-四氢叶酸连接酶（FHS）等重要代谢基因。病毒编码的GH基因在胃肠道不同区域呈现明显的空间分布特征，如GH3和GH43在大型肠道中富集，而GH16和GH35在胃部更常见，反映了病毒功能与局部环境底物可利用性的适应性。
AMG的功能验证
通过对选定的AMG（GH10、GPI和FHS）进行基因组背景和蛋白质结构分析，进一步验证了这些基因的病毒来源和功能可靠性。这些AMG位于病毒基因组中央区域，两侧至少有2个病毒标志基因或病毒样基因，排除了宿主污染的可能性。蛋白质三维结构预测和比对显示，这些AMG与参考蛋白结构高度相似（RMSD值介于0.836 ?至1.691 ?之间），证实了其功能注释的准确性。
本研究构建的RGVC是迄今为止最全面的反刍动物胃肠道病毒资源，揭示了病毒群落在反刍动物胃肠道中的空间异质性模式及其与宿主的互作网络。研究发现溶原性生活方式是优势策略，病毒通过携带多样的AMG参与宿主代谢调控，建立了病毒与宿主之间的互利关系。这些发现为理解病毒在反刍动物消化生理中的作用提供了新视角，也为开发基于病毒调控的瘤胃功能优化策略奠定了理论基础。未来的研究需要进一步功能验证AMG的具体作用机制，并阐明饮食等动态因素如何影响这些病毒群落，从而为改善反刍动物生产和减少环境影响提供新思路。
该研究论文发表于《Journal of Advanced Research》，为反刍动物胃肠道病毒组研究提供了重要的基础数据和理论框架，对促进动物营养、甲烷减排和微生物生态学等领域的发展具有重要意义。
