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青藏高原通常被稱為“第三極”的中心，不僅是亞洲眾多河流的發(fā)源地，還在中低緯度的高海拔地區(qū)擁有世界上最大的連續(xù)多年凍土區(qū)。多年凍土是指常年溫度維持在0℃或以下，且至少連續(xù)兩年保持凍結(jié)狀態(tài)的巖土層，是豐富的休眠狀態(tài)生命形式的儲存庫；其獨特性深刻地影響著氣候變化下的全球碳循環(huán)。研究多年凍土中的病毒群落對于擴大我們對類似極端氣候地區(qū)的了解和應對氣候變化風險至關(guān)重要。近日，中國科學院武漢病毒研究所鄧菲/沈姝團隊與中國科學院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院開展合作，對青藏高原沱沱河多年凍土區(qū)的土壤樣本進行了病毒組成、多樣性以及可能相關(guān)的主要環(huán)境因素調(diào)查研究，并將相關(guān)成果發(fā)表在了環(huán)境科學國際TOP期刊Science of the Total Environment雜志上，題為“Viral Communities Locked in High Elevation Permafrost up to 100 m in Depth on the Tibetan Plateau”。
本研究對青藏高原多年凍土沱沱河源區(qū)的兩個生境迥然的站點的土壤圈層進行調(diào)查。其中，TTH-04采樣點為下坡位、陰坡，植被類型為高寒沼澤，地貌類型為山間洪積灘，總探測深度為50米；TTH-07采樣點為平坡位、陽坡，植被類型為高寒草甸，地貌類型為山前洪積扇，總探測深度為100米。根據(jù)地質(zhì)勘探數(shù)據(jù)顯示，兩站點的土壤由淺至深分為活動層、多年凍土和亞多年凍土層。二代測序數(shù)據(jù)顯示，病毒在總體的微生物群落中相對豐度較低，僅分別占樣本讀取序列總數(shù)（reads數(shù)）的0.04%和0.12%。在TTH-04 樣本中，共鑒定到19個病毒科，TTH-07樣本中則共鑒定出48個病毒科。噬菌體是兩個站點的主要病毒群落，分別占TTH-04、TTH-07病毒組成的37.29%和30.50%。還發(fā)現(xiàn)了古老的巨病毒，包括Pithoviridae、Marsilleviridae、Mimiviridae，提示多年凍土作為病毒多樣性歷史檔案的重要性。此外，未分類的病毒讀取序列（reads）數(shù)在TTH-04、TTH-07中分別占61.98%和64.50%，且未分類病毒的多樣性在多年凍土隨著深度的遞增而逐漸增加，說明多年凍土深層的病毒仍然存在著未被充分了解的豐富多樣性，這為進一步深入研究和解析多年凍土中的病毒組成和功能提供了重要線索。
進一步分析顯示，兩個站點的凍土中病毒組豐度、群落多樣性均高于活動層和亞多年凍土層。TTH-07站點中多年凍土的病毒豐度與群落多樣性均顯著高于TTH-04站點，這表明較厚的多年凍土可能與更高的病毒群落多樣性相關(guān)。TTH-07的多年凍土病毒組聚類顯示出高度的相似性，提示該層的生態(tài)穩(wěn)定性較高，未對其病毒群落產(chǎn)生差異化影響。此外，在兩個采樣點均觀察到“殺死勝利者”生態(tài)動力學現(xiàn)象，其中TTH-04的“獲勝者”為長尾噬菌體科（Siphoviridae），主要出現(xiàn)在10米和30米深度；而TTH-07的“獲勝者”則是肌尾噬菌體科（Myoviridae），主要出現(xiàn)在約20米和50米深度。這些在更深層土壤中“獲勝”的噬菌體群落很可能是各自病毒家族中更早進化的屬或種。
本研究還分析了每個土壤樣本的pH值以及與生態(tài)環(huán)境密切相關(guān)的29種化學元素含量對兩個站點的病毒組成和多樣性差異的環(huán)境影響因素。結(jié)果顯示兩個站點的整體病毒多樣性與噬菌體組成多樣性均與硼（B）元素、鎂（Mg）元素含量密切相關(guān)。在TTH-04中，鎂（Mg）含量與整體病毒群落多樣性呈正相關(guān)，在TTH-07呈負相關(guān)。硼（B）元素含量與TTH-04中的噬菌體組成和多樣性呈正相關(guān)，在TTH-07呈負相關(guān)。此外，在TTH-07，鉻（Cr）、鉍（Bi）、鈦（Ti）、鈉（Na）和銅（Cu）等元素的含量隨土壤深度變化的情況也與整體病毒群落的豐度乃至噬菌體群落的豐度變化密切相關(guān)。TTH-04和TTH-07的調(diào)查結(jié)果揭示了環(huán)境的生化狀態(tài)與病毒組成之間的相關(guān)性，可為理解環(huán)境因素如何影響病毒在土壤中分布和多樣性提供新的見解。
中國科學院武漢病毒研究所博士研究生文倩/中國科學院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院殷秀峰副研究員為論文的共同第一作者，中國科學院武漢病毒研究所鄧菲研究員、沈姝青年研究員和中國科學院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院康世昌研究員為共同通訊作者。此項研究受到國家重點研究與開發(fā)項目、中國科學院重點部署項目、第二次青藏高原科學考察和研究計劃項目、冰凍圈科學國家重點實驗室、中國科學院戰(zhàn)略先導項目、國家基礎(chǔ)科學數(shù)據(jù)共享服務平臺及國家科學技術(shù)重點項目的支持。
圖 1 圖形摘要