《PLOS Biology》：Sub-daily virus sampling at the Bermuda Atlantic Time Series reveals diel and depth-structured population dynamics without community-level shifts
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本文报道了在百慕大大西洋时间序列站点，通过对表层水和深部叶绿素最大层进行高频率（4/12小时间隔）、长达112小时的病毒宏基因组采样，首次在单点捕获了48,428个病毒种群。研究揭示了病毒群落整体多样性随深度（而非时间）显著变化，同时在种群水平上发现了数千个具有显著昼夜节律的动态种群，并通过无监督学习将其归类为三种时间动态原型。这些发现为理解未来气候变化下海洋生态系统中病毒驱动的高频生物地球化学过程提供了关键的基线观测数据。
引言：病毒在海洋碳循环中的关键角色
海洋微生物是全球生物地球化学循环的关键驱动者，同时承受着来自病毒的巨大自上而下的压力。病毒通过裂解宿主细胞影响碳的去向，传统观点认为这主要通过促进营养盐再生的“病毒分流”过程，将碳保持在溶解相。然而，新近的“病毒穿梭”假说提出，病毒裂解可能产生粘性聚集体，促进碳向深海沉降。全球尺度研究甚至表明，病毒丰度是预测海洋碳通量的最佳指标，超越了细菌、古菌和真核生物。此外，病毒感染能将宿主细胞重编程为代谢和生物地球化学特性截然不同的“病毒细胞”，深刻改变其在生态系统中的功能输出。尽管病毒的生态重要性日益凸显，但由于方法学挑战，海洋病毒的高频（亚日尺度）动态仍属研究空白。现有长期时间序列研究多基于月分辨率，并主要关注微生物，病毒数据多为附带产物或针对特定类群（如蓝藻病毒）。本研究旨在百慕大大西洋时间序列——一个因层化加强和酸化而被视为“未来海洋”模型的海域——建立高分辨率的病毒动态观测基线。
构建高质量的BATS病毒参考数据库
研究于2019年10月12日至17日在BATS站点进行拉格朗日式采样，在112小时内，对表层水和深部叶绿素最大层分别以4小时和12小时的间隔采集了39个样本。通过化学絮凝法浓缩病毒颗粒，提取DNA并进行双链DNA病毒靶向的宏基因组测序，平均测序深度达每个样本1.47亿条读长。组装后，利用VirSorter2和CheckV流程保守地鉴定出228,013条病毒序列，进而以95%平均核苷酸一致性和80%覆盖度的标准，聚类为48,428个病毒种群，代表了近似物种水平的分类单元。与全球分散采样的GOV2数据集相比，本研究在单点捕获的病毒种群数量更多，平均基因组长度相当，为后续高分辨率分析奠定了基础。
群落水平多样性随深度而非时间显著变化
首先，研究评估了病毒群落的α多样性和β多样性。结果显示，表层水的病毒α多样性显著高于深部叶绿素最大层，且这种差异在112小时的时间序列中保持稳定。同时，两层水体间的病毒群落组成也显著不同，这主要归因于光照、温度、叶绿素浓度等理化因子的深度差异。然而，当聚焦于表层水的昼夜变化时，无论是α多样性还是β多样性，在群落整体水平上均未表现出显著的昼夜差异。这表明，尽管环境光照和宿主微生物存在昼夜波动，但聚合的病毒群落多样性指标在数日内保持稳定。
病毒种群及其潜在代谢基因库因深度而异
在种群水平上，研究通过整合宿主预测工具和来自BATS的89个高质量宏基因组组装基因组构建自定义数据库，成功预测了11,814个病毒种群的宿主，大幅提升了预测率。分析显示，病毒种群及其宿主预测存在明显的深度分异。例如，感染异养细菌SAR11类群的病毒在表层水中更富集，而感染低光型原绿球藻的病毒则在深部叶绿素最大层更为丰富，这与这些宿主细菌已知的生态位偏好一致。研究还采用极为保守的策略鉴定了病毒携带的辅助代谢基因。在鉴定的少量AMG中，不同深度富集的通路各异。例如，钴胺素生物合成相关基因在表层病毒中富集；而光合系统II基因仅在深部叶绿素最大层的病毒中发现，尽管其预测宿主包含了异养细菌和古菌，这提示了跨界的基因流动或宿主预测的复杂性。此外，一个表层病毒种群携带了可能与古菌甲烷代谢相关的辅酶M生物合成基因，为探索病毒在海洋碳循环中未被充分认识的作用提供了线索。
昼夜周期性分析揭示种群水平的病毒动态
尽管群落指标稳定，但更精细的种群水平分析揭示了显著的动态变化。在表层水中，统计检测识别出3,097个具有显著昼夜节律的病毒种群，占总数的10.68%。相比之下，在采样频率较低的深部叶绿素最大层未检测到显著节律，可能受统计功效限制。比较有节律与无节律的病毒种群发现，两者在宿主预测和病毒分类学组成上总体相似，但在携带的辅助代谢基因功能上存在差异。无节律病毒拥有更多样化的AMG，涉及碳水化合物代谢、氧化还原、核苷酸和氨基酸代谢等多种组成性代谢途径；而有节律病毒中独特的AMG极少，其中包括前述的辅酶M生物合成基因。
无监督学习识别出以日间或夜间为峰值的动态模式
为了深入解析这些有节律病毒种群的时间动态模式，研究采用无监督的自组织映射算法进行分析，将3,097个有节律种群划分为三个时间动态原型。绝大多数有节律病毒种群的丰度峰值出现在夜间，其中原型1和原型3以夜间峰值为特征，共同占据了有节律种群的95.22%；仅有少量种群属于以日间峰值为特征的原型2。非度量多维尺度分析也清晰地显示了从夜间峰值到日间峰值的种群梯度。这些原型的生物学特征各异：原型1中含有最高比例的光合宿主预测病毒，与已知原绿球藻细菌在夜间丰度更高的观测相符；而原型2中日间峰值病毒的预测宿主则更为分散。这表明，病毒种群通过不同的时间生态位进行区分，其动态与宿主的活动周期密切相关。
讨论与展望
本研究通过建立BATS站点高分辨率病毒宏基因组时间序列，揭示了病毒动态的多尺度特征：在群落水平，多样性由深度等物理化学梯度主导，而在数日的时间尺度上保持稳定；在种群水平，则发现了活跃的、具有昼夜节律的动态变化，并可归纳为不同的时间生态位原型。这印证了“群落稳定掩盖种群动态”的海洋微生物生态模式，暗示病毒-宿主互作在维持整体稳定的同时，内部存在着由宿主活动和环境选择的持续进化动力。研究观测到的深度分异（如SAR11病毒富集于表层，原绿球藻病毒富集于深部叶绿素最大层）以及夜间主导的病毒活动节律，为理解病毒如何响应并塑造未来海洋（更暖、更分层）的生物地球化学过程提供了基线。未来，整合长读长测序、病毒标签、宏转录组、宏蛋白质组等多组学数据，并结合模型模拟与实验验证，将能更全面地揭示病毒在感染、基因转移和代谢重编程过程中对海洋生态系统的具体影响，从而更好地将病毒生态学整合到预测未来海洋功能的地球系统模型中。
