藍藻暴發對湖泊病毒群落及其宿主的影響研究

中圖分類號：Q938 文獻標志碼：B 文章編號：2095-3305（2025）05-0004-03

隨著我國社會經濟和工業化的快速發展，大量營養物質排入湖泊，湖泊富營養化問題日益嚴重，藍藻水華暴發現象越來越頻繁，且危害不斷加劇[1]。藍藻產生的有害藻毒素不僅威脅人類健康，還給水生生態系統的生物多樣性和穩定性帶來巨大挑戰，這些問題引發了社會各界的廣泛關注。

在水生生態系統中，病毒是數量最多且功能最豐富的生物實體[2]。作為微生物的重要\"捕食者”，病毒在通過感染調節宿主群落結構的同時，通過輔助代謝基因（AMGs）參與宿主代謝重編程，從而影響生態系統的生物地球化學循環[3]。在藍藻水華發生與消退的過程中，病毒可能通過感染藍藻等微生物，影響水華動態與宿主群落結構。因此，深入研究水體病毒與藍藻的動態分布及其相互作用，具有重要的生態學和實踐意義。近年來，宏基因組學的發展為研究未培養微生物提供了強有力的工具，基于宏基因組學的病毒研究更加全面、準確，不僅發現了許多新型功能基因與活性物質，還逐步揭示了病毒群落的多樣性及其與宿主的復雜關系，為理解水生生態系統中的病毒功能提供了新的視角。

太湖是我國第三大淡水湖，能夠調節周邊生態環境。近年來，太湖藍藻水華的頻繁暴發導致當地生態平衡被破壞，曾引發數十萬人陷入缺水危機。研究太湖藍藻水華暴發過程中的病毒群落，利用宏基因組學技術，分析了病毒群落在不同水華暴發階段的結構特征、潛在宿主及其輔助代謝基因（AMGs）。研究旨在揭示病毒、藍藻與環境因子之間的動態關系，探討病毒對宿主群落組成與多樣性的影響。

1材料和方法

1.1 樣品來源

樣品采集于太湖藍藻水華整個暴發周期，于太湖北部區域每周或每月進行采樣，共獲取16個樣品。隨后，通過構建宏基因組文庫對樣本DNA進行Illumina高通量測序。根據藍藻水華面積的變化，將樣品采集時間劃分為3個階段：4—5月為水華早期，6—12月為水華中期，翌年1一2月為水華后期。

1.2病毒識別與注釋

研究利用TrimGalore對下機原始序列進行質控，生成高質量序列，并通過metaSPAdes對高質量序列進行拼接[4]。采用VIBRANT、VirSorter2、DeepVirFinder、PPR-Meta進行病毒識別，獲取病毒序列。利用CD-HIT軟件獲得病毒操作分類單元（Viral Operational TaxonomicUnits，vOTUs）。針對這些序列，使用PhaGCN2進行分類學注釋，并對結果取并集，得到最終的病毒注釋結果。

1.3病毒宿主預測

針對病毒宿主預測，先使用MetaWRAP對拼接序列進行分箱（binning），生成組裝基因組，隨后利用GTDB-Tk對基因組進行分類學注釋，并采用基于基因組相似性、基于tRNA匹配、基于CRISPR間隔子匹配3種方法預測病毒宿主。利用CoverM計算TPM（TranscriptsPerKilobaseperMillionmapped reads）值以評估豐度。

2結果與分析

2.1病毒群落組成及其動態變化規律

在太湖的16個宏基因組數據集中，識別出206430個潛在病毒序列，經過聚類分析最終得到5613vOTU。其中，496個vOTUs具有宿主信息，包括14個門、17個綱、66個科。在病毒的綱水平上，有尾噬菌體（Caudoviricetes）占比 78.27% ，其次是纖維噬菌體（Faserviricetes）和 ∝ 1病毒超群綱（Alsuviricetes）（圖1），分別占比 6.83% 和4.23%_o 纖維噬菌體的相對豐度在各個時期相對穩定；而Chrymotiviricetes則是在藍藻暴發后期占據較高的相對豐度。在科水平上，P2噬菌體（Peduoviridae，28.75% ）、自轉錄噬菌體科（Autographiviridae， 10.72% ）和梅先季諾夫噬菌體科（Mesyanzhinovviridae， 9.08% ）為優勢科。P2噬菌體在藍藻暴發前、中期為優勢科，但在暴發后期，科長線形病毒科（Closteroviridae）成為新的優勢科。

通過PCoA分析，進一步探討了不同樣本間群落組成的總體差異。基于病毒群落的分析（圖2結果顯示，藍藻水華暴發的前期與后期樣本各自緊密地聚集起來，而中期樣本則較為分散，但相鄰樣本的采樣時間接近，表明樣本間病毒群落結構存在時間的差異，相似采樣時間點的樣本具有較高的病毒群落相似性。尤其是在太湖春夏季（4一9月）采集的樣本病毒群落結構較為相近，而秋冬季（10月至翌年2月）采集的樣本病毒群落結構則呈現出聚集趨勢。不同季節光照和營養鹽等環境因子的差異，可能影響水體中病毒豐度變化，導致春夏季與秋冬季病毒群落結構存在差異[5]。

2.2病毒宿主群落組成及其多樣性特征

在水華暴發期間，病毒潛在宿主的群落結構也發生了相應改變。宿主預測結果表明（圖3），這些病毒的宿主包括12個門、12個綱、44個科、50個屬。其中，藍藻門（Cyanobacteriota）與變形菌門（Pseudomonadota）是主要的病毒潛在宿主，其次為擬桿菌門（Bacteroidota）。藍藻門和變形菌門兩者的豐度隨著時間的推移，發生了不同程度的交替演變。

在藍藻暴發早期，藍藻門和變形菌門的相對豐度相當，在中期它們交替占據優勢；在藍藻暴發后期，藍藻門演變為優勢門。整體而言，藍藻門的相對豐度最高 （64.88% ），其次是變形菌門 （27.72% ）。在病毒潛在宿主的科水平上，主要宿主包括小囊藻科（Microcystaceae，63.27% ）、伯克霍爾德科（Burkholderiaceae_A， 12.53% Burkholderiaceae_B， 6.30% ）圓桿菌科（Cyclobacteriaceae，3.45% ）。

在屬水平上，微囊藻屬（Microcystis， 63.27% ）、JALHMQ01（ 12.53% ）和紅長命菌（Rubrivivax， 6.30% ）為主要宿主。其中，Microcystaceae/Microcystis屬于藍藻門，Burkholderiaceae/Rubrivivax屬于變形菌門，Cyclobacteriaceae屬于輪藻門。隨著水華暴發時間的推進，Microcystaceae在病毒潛在宿主的相對豐度占比中呈增加趨勢，而Cyclobacteriaceae則呈下降趨勢。Burkholde-riaceae_A、BurkholderiaceaeB在水華暴發前中期占據較大比例，但后期比例明顯下降。

在藍藻暴發后期，出現了新的宿主優勢科一一柄桿菌科（Caulobacteraceae），該科屬于變形菌門（Proteobacteria）。由此可見，病毒的潛在宿主群落會隨著水華的發生、加劇和衰退發生變化。根據某學者的研究，微囊藻水華的適應范圍是水溫 20°C 以上，水體TP濃度0.1＼～0.8mg/L ，TN濃度 2.5～3.5mg/L 大部分樣品的TP、TN值均達到或接近該下限值，說明這些樣品采集點在溫度適宜時，適合微囊藻成為優勢種。

Microcystaceae屬于藍藻門的一種，已有研究表明該藻類會產生微囊藻毒素、虎耳草毒素等，這些毒素會影響水生生物和水體環境，并可通過水生食物鏈遷移，最終影響人類健康。磷和氨的富集可能促進Microcystaceae的生長，在太湖水華暴發后期，總磷和氨氮含量明顯增加，因此Microcystaceae占據了主要生態位[。在藍藻水華暴發前期，平均注釋到38個綱的宿主，在中期，平均注釋到34個，而后期平均只注釋到31個。這可能受到營養條件和外界環境因子的影響，水華暴發的前中期宿主群落更為多樣化。

根據物種注釋結果發現了幾類專門感染藻類的病毒科，如Phycodnaviridae、Vilmaviridae和Bacilladnaviridae。感染原生生物的病毒可能有助于抑制光合真核生物群落的生長，并為藍藻的增殖提供條件，從而引發藍藻水華現象。此外，還有一類專門以藍藻為宿主的病毒噬藻體，這些噬菌體大多屬于有尾噬菌體。病毒優勢科P2噬菌體屬于噬藻體，且P2噬菌體的季節性動態變化與病毒潛在宿主藍藻的豐度呈現負相關。當P2噬菌體的相對豐度上升時，則藍藻的相對豐度下降，表明了噬藻體對藍藻的生長可能具有一定的抑制作用。

2.3病毒群落變化的驅動因子

為探究環境因子對病毒群落的影響，研究利用水溫、pH值、溶解氧、BOD、總氮、氨氮、總磷、COD等8種環境因子進行了典范對應分析（圖3）。除pH值外，其余7種環境因子均顯著影響病毒群落。其中，總磷（ R²= 0.85）和總氮（ R²=0.81? 與病毒群落的相關性最強，其次是氨氮（ R²=0.72，Plt;0.001） 和COD（ R²=0.72，Plt;0.01） 。有學者研究也指出，總磷、總氮、氨氮和COD均與高豐度的細菌群落有較強的相關性。COD的增長會刺激水中細菌與藻類的生長，進而促進病毒的繁殖。同時，病毒的裂解作用通常是細菌和浮游植物死亡的重要機制，宿主裂解和病毒降解后，微生物裂解物和病毒顆粒會導致水體顆粒物聚集，從而提升水體COD水平[7]

通過Mantel檢驗對病毒群落和細菌群落結構進行相關性分析，發現病毒群落與細菌群落（ R²=0.805 ，Plt;0.000 1? 顯著相關，表明病毒群落受到細菌群落的顯著影響。在環境因子中，總氮和總磷被認為是藍藻水華暴發的關鍵因素。高氮磷條件為藍藻生長提供了充足的營養鹽，使藍藻能夠在水體中快速繁殖。因此，環境因子通過影響病毒的潛在宿主藍藻，進一步作用于病毒群落結構和動態變化。綜上，環境因子和細菌群落共同影響太湖病毒群落的動態變化特征。

3結束語

基于宏基因組測序技術對中國太湖藍藻水華暴發全過程的病毒群落多樣性、潛在宿主及其環境因子的影響進行了系統分析。經過病毒物種注釋發現，有尾噬菌體占病毒總豐度的 78.27% ，為主要優勢類群，其次為霍夫奈病毒門和黃病毒門。病毒的 ∝ 多樣性在藍藻水華暴發的中期達到最高，前期次之，后期最低，呈現顯著的時間動態變化趨勢。藍藻門和變形菌門等是病毒潛在宿主的主要類群，發現大量的噬藻體，其是專門感染藍藻的病毒，能在一定程度上削弱藍藻水華的暴發。環境因子和細菌群落共同影響太湖病毒群落的動態變化特征，其中總磷和總氮是影響病毒群落結構演變的關鍵因素。此外，氨氮、化學需氧量和水溫對病毒群落組成也具有顯著的影響。病毒群落與細菌群落間存在顯著的相關性。總之，研究從病毒群落的多樣性、生態功能及其與環境因子的關系等方面，全面揭示了太湖藍藻水華暴發過程中的病毒生態學特征，為深入理解病毒在淡水生態系統中的作用機制提供了科學依據。

參考文獻

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