深渊环境中温和型病毒对微生物宿主碳氮源代谢的影响研究

The hadal trench plays a unique role in the global carbon cycle and carbon sequestration, and the scarce biodegradable carbon and nitrogen sources in the hadal environment are contradictory to the active microbial activities. In previous studies, we enriched the abyssal microbial community through ultrahigh pressure simulation and isolated the representative virus-host system. Based on the existing research results, we have proposed a scientific hypothesis that temperate viruses participate in the cycle of the abyssal carbon and nitrogen element, and their inductions are regulated by both of nutrient sources and hydrostatic pressure. This project will take the hadal sediment samples, 120 MPa/152 MPa enrichment samples and virus-host system as starting materials, combined with low-temperature and ultra-high-pressure simulation culture equipment. Microbiology, molecular biology, organic geochemistry and viromics analysis will be comprehensively used to investigate the underlying mechanism of the lysogenic-lysis switch of temperate virus, especially how it responds to the carbon/nitrogen nutrients and hydrostatic pressure, from the individual and community levels. Taken together, this study will reveal the molecular mechanism of how virus is involved in the biodegradation of carbon and nitrogen sources, thus contribute to a comprehensive understanding of the cycle of carbon and nitrogen in the hadal environment.

深渊海沟在全球碳循环和碳封存过程中扮演着独特的角色，其环境中极少的易降解碳氮源与活跃的微生物活动存在矛盾。前期研究中，我们通过超高压模拟培养富集了深渊微生物群落，初步分离鉴定了代表性的病毒-宿主系统。根据已有的研究结果，我们提出了温和型病毒参与深渊碳氮元素循环，且其诱导受营养源和压力双重调控的科学假说。本项目将以本实验室已有的深渊沉积物样品、120 MPa/152 MPa富集样本及病毒-宿主系统为出发材料，结合低温超高压模拟培养设备，综合利用微生物学、分子生物学、有机地球化学及病毒组分析手段，从个体和群落两个层面探讨温和型病毒的溶源-裂解转换机制，特别是其对碳氮营养物及压力的响应。通过本项目的研究，我们将初步揭示深渊环境中病毒参与微生物宿主对难降解碳氮源利用的分子机理，为全面理解深渊的碳氮元素循环提供有用的理论参考。

深渊海沟在全球碳循环和碳封存过程中扮演着独特的角色，其环境中极少的易降解碳氮源与活跃的微生物活动存在矛盾。根据已有的研究结果，我们提出了温和型病毒参与深渊碳氮元素循环，且其诱导受营养源和压力双重调控的科学假说。在本项目的研究中，我们构建了目前最大的海沟病毒基因组数据库OTVGD，发现海沟中近80%的病毒属于未知分类，在不同深度的海水和沉积物中呈现显著不同的分布特征；发现了病毒在深渊难降解有机物转化中的功能，通过调节宿主的代谢，侵染关键微生物群落，从而显著影响深渊生态系统。这项研究工作极大地显著拓展了对深渊病毒多样性和分布特征和功能的认知，为后续深入解析深海病毒的生命特征及生态功能提供了良好的基础。高压环境在地球上的普遍分布，深海高压诱导细胞产生过氧化。高压导致的细胞内过氧化是温和型病毒诱导的重要因素。我们以深海重要病毒类群-丝状病毒为例研究了细胞过氧化对病毒的调控作用，发现并证实了深海丝状病毒受到DNA硫修饰这一早期生命重要抗氧化途径诱导的分子机制。这项研究一方面揭示了硫修饰与细菌基因组中广泛存在的原噬菌体之间的关系，及其在演化过程中的影响，解释了造成dnd系统独特分布特征的原因。另一方面，还首次提出了硫修饰系统可能起源于古老的蓝细菌类群，为了解地球环境演化过程中新的微生物功能基因簇的起源和传播与地质历史重大事件（如大氧化事件）之间的关系提供了新的认知。此外，我们从马里亚纳海沟8636米水深的沉积物中分离到一株线状质粒噬菌体HMP1，填补了目前深渊沉积物来源的可培养噬菌体的空白，为今后深渊环境中噬菌体及其宿主的深入研究提供了材料。