冰川中保存的古代病毒基因组揭示了气候历史以及病毒如何适应气候变化

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随着人类改变地球的气候和生态系统，科学家们正在研究地球的历史，以帮助预测气候变化可能带来的影响。为此，冰川等巨大的冰结构充当着大自然的冷冻机，保存着过去气候和生态系统（包括病毒）的详细记录。
我们是一支由微生物学家 和 古气候学家组成的团队，研究古代微生物，包括冰川冰中保存的病毒。我们与同事Lonnie Thompson、Virginia Rich和俄亥俄州立大学冰芯古气候学小组的其他研究人员一起，研究青藏高原古里雅冰川冰芯中保存的病毒与其环境之间的相互作用。
通过将古代病毒群落的基因组与冰川冰中保存的特定气候条件联系起来，我们新发表的研究提供了有关这些病毒在过去 41,000 年里如何适应地球不断变化的气候的见解。
解读病毒基因的历史
我们主要使用宏基因组（即捕捉环境样本中所有微生物的全部遗传内容的基因组集合）重建古里雅冰芯中九个不同时间段的病毒基因组。这些时间范围跨越了三个主要的冷暖周期，为观察病毒群落如何响应不同的气候条件而发生变化提供了独特的机会。
通过分析，我们恢复了相当于 1,705 种病毒的基因组，将已知的冰川保存的古代病毒扩大了 50 多倍。
我们发现的病毒种类中，只有大约四分之一与之前在全球数据集中捕获的近 1,000 个宏基因组中发现的任何病毒具有物种级相似性。这些重叠物种中的大多数也来自青藏高原。
这表明古里雅冰川中保存的病毒至少有一部分源自该地区，但也说明现有数据库中冰川病毒相对缺乏。
利用这些新的参考基因组，我们尝试“阅读”它们的故事。
一个关键发现是，病毒群落在寒冷和温暖的气候时期存在显著差异。冰川上最独特的病毒物种群落出现在大约 11,500 年前，与从末次冰期到全新世的重大过渡相吻合。
这表明寒冷和温暖时期的独特气候条件深刻影响了病毒群落的组成。我们推测这些影响可能是由于其他地方的病毒被不断变化的风向吹进来，并受到冰川温度变化的选择压力。
深入研究后，我们接下来确定了病毒如何与宿主相互作用。为此，我们使用计算机模型将病毒基因组与在此环境中发现的其他微生物的基因组进行比较。我们发现病毒持续感染黄杆菌，这是一种常见于冰川环境中的细菌谱系。
我们还了解到，古里雅冰川上的病毒必须从宿主那里“窃取”基因来操纵其新陈代谢。病毒基因组中编码了 50 个与新陈代谢相关的辅助代谢基因，包括维生素、氨基酸和碳水化合物的合成和分解。其中一些基因在研究的所有九个时间间隔内都很丰富，这表明它们有助于微生物宿主应对冰川表面的恶劣条件，从而提高病毒的适应性。
因此，病毒不仅会感染和杀死细胞，而且还可能在感染过程中改变宿主的适应性，进而影响它们在冰川环境极端条件下生存的能力。
气候变化
我们的研究结果为病毒形式的生命如何应对数万年来的气候变化提供了一个新颖的视角。
了解这些古老的相互作用为病毒学和气候科学的未来研究提供了独特的机会。通过研究古代病毒如何应对过去的气候变化，研究人员可以获得有关病毒如何适应持续的全球气候变化的宝贵见解。
我们相信，冰川冰通过记录每一层中微生物及其生态系统随时间推移的信息，仍然是揭示地球气候历史及其所支持生命的重要资源——尤其是在冰川冰储量迅速减少的情况下。