近日，中国科学院微生物研究所温廷益研究团队与中国农业大学合作，在Advanced Science上发表题为“Synoptic Variation Drives Genetic Diversity and Transmission Mode of Airborne DNA Viruses in Urban Space”的研究论文。该研究报道了北京近地表的大气病毒遗传多样性，阐明了不同天气条件下城市上空DNA病毒群落组成与气象变化之间的作用关系，明确了潜在的生物标志物，解析了新型病毒特征、辅助代谢网络以及病毒-宿主关系，深刻揭示了大气病毒群落的生态作用及其可能的传播方式。
尽管大气存在高辐射、营养极度匮乏、环境变化剧烈等极端条件，然而土壤、水体、冰川以及动植物等来源的病毒能够通过气溶胶远距离扩散和传播，其中甚至包括一些流感、冠状病毒等致病病毒，进而导致大规模的生物迁移和空气污染，对环境和生态健康可能会产生潜在的危害。由于大气病毒样本收集困难、缺乏标准标记基因以及检测工具，大气病毒组的丰度、群落组成、代谢特征以及传播机制等尚不清楚。因此，开展大气病毒组学研究对于理解它们在生态系统以及人类和动植物健康当中的作用至关重要。
图1. 大气主要病毒在空气和地球表面环境、人类、动物体之间传播的示意图
研究团队从13个空气样本中收集了263.5 Gb数据开展病毒宏基因组研究。通过组装和分析，12 484个病毒contigs（1.5-184.2 kb）聚类到221个病毒属、47个病毒科、19个病毒目和15个病毒纲。多样性分析发现，大气病毒群落的组成受天气条件影响，其主要生物标志物为有尾噬菌体。在晴天和雨天中，单链DNA复单病毒（Repensiviricetes）占比69%-78%，而在多云和雾霾天气中，双链DNA病毒的有尾噬菌体（Caudoviricetes）占比70%-78%，这一比例接近人类和动物肠道中的有尾噬菌体丰度。
图2. 不同天气条件下的病毒多样性变化
为评估空气传播病毒的遗传多样性，研究团队对大气中两类主要病毒Repensiviricetes和Caudoviricetes进行系统发育分析。筛选出病毒基因组完整度大于95%的病毒，分别构建基于全基因组和核心蛋白比较的系统发育树。在已知的病毒参考序列中，大气病毒形成单独的分支。通过病毒全基因组和核心基因比对，从大气病毒群落中鉴定出12个候选病毒分属于新的Repensiviricetes和Caudoviricetes病毒目、科和属。
图3. 有尾噬菌体病毒的系统发育树和基因组多样性比较
为了深入理解病毒如何适应大气生态环境条件，研究团队进一步分析了大气病毒携带的抗菌耐药基因（ARG）和辅助代谢基因（AMG）。研究发现了大气病毒具有几种主要的 ARG 类型，包括 MDR1、EmrB、GBF1、TPO1 和 Tc 等。
这些ARG在大气病毒中普遍存在，但不同天气条件之间没有观察到显著差异。大气病毒中大多数代谢相关基因归类为碳水化合物、核苷酸、辅因子、维生素和氨基酸，主要参与于核糖、dNDP、dNTP和辅因子的生物合成以及糖和氨基酸的降解利用，在病毒DNA复制和在大气环境存活过程中可发挥关键作用。
图4. 大气病毒携带的代表性抗菌耐药基因和辅助代谢基因及其相关途径
为识别空气病毒来源，研究团队对宿主多样性开展了进一步分析。发现83.56%的大气病毒宿主属于Campylobacteraceae、Enterobacteriaceae、Streptococcaceae、Neisseriaceae，这些宿主通常来自于人类和动物中。通过病毒-宿主关系分析显示，80%以上大气病毒可能感染弯曲杆菌和肠杆菌，尤其在雾霾天气中的比例更高。因此，有尾病毒在动物肠道和污染空气中的病毒体中都存在较高的丰度，揭示了气溶胶在动物和城市空气之间传播病毒的可能性，在雾霾天可能传播的频率更高。
图5. 不同天气条件下的空气病毒与宿主关系
综上所述，该研究显示了不同环境条件下的大气病毒的遗传多样性变化、传播方式和生态功能，揭示了病毒有可能通过气溶胶在动物和城市上空之间传播，为理解大气病毒在生态系统以及人类和动植物健康中的作用提供了新的认识。
中国农业大学邓爱华教授和微生物所王珺玥为共同第一作者，微生物所温廷益研究员和邓爱华教授为共同通信作者。本研究工作得到中国科学院A类战略性先导科技专项、中国科学院病原微生物与免疫学重点实验室开发课题、中央高校建设世界一流大学（学科）和特色发展引导专项资金、中国农业大学杰出人才启动项目的经费支持。
Airborne viruses are ubiquitous and play critical roles in maintaining ecosystem balance, however, they remain unexplored. Here, it is aimed to demonstrate that highly diverse airborne viromes carry out specific metabolic functions and use different transmission modes under different air quality conditions. A total of 263.5 Gb data are collected from 13 air samples for viral metagenomic analysis. After assembly and curation, a total of 12 484 viral contigs (1.5–184.2 kb) are assigned to 221 genus-level clades belonging to 47 families, 19 orders, and 15 classes. The composition of viral communities is influenced by weather conditions, with the main biomarker being Caudoviricetes. The most dominant viruses in these air samples belong to the dsDNA Caudoviricetes (54.0%) and ssDNA Repensiviricetes (31.2%) classes. Twelve novel candidate viruses are identified at the order/family/genus levels by alignment of complete genomes and core genes. Notably, Caudoviricetes are highly prevalent in cloudy and smoggy air, whereas Repensiviricetes are highly dominant in sunny and rainy air. Diverse auxiliary metabolic genes of airborne viruses are mainly involved in deoxynucleotide synthesis, implying their unique roles in atmosphere ecosystem. These findings deepen the understanding of the meteorological impacts on viral composition, transmission mode, and ecological roles in the air that we breathe.
作者信息
邓爱华 第一作者/通信作者
中国农业大学教授、博士生导师，中国农业大学引进“杰出人才”（2023）。主要从事农业绿色投入品的微生物系统代谢工程与合成生物学研究，设计开发合成生物学元件与技术，精细调控与重编程微生物代谢途径，优化与重塑农业生物合成系统，为新型蛋白饲料、营养与功能原料创制经济高效的微生物细胞工厂，实现畜禽养殖绿色投入品的生物制造。近年来，在Advanced Science、ACS Synthetic Biology、Bioresource Technology、The ISME Journal、Protein & Cell等国内外期刊上发表论文40多篇，获批11项中国/国际发明专利，主持和参与了国家自然科学基金、国家科技重大专项和中国科学院重大专项A类等项目。
温廷益 通信作者
中国科学院微生物研究所二级研究员，中国科学院大学岗位教授，研究方向为重要生物制剂的生物合成与代谢调控。在氨基酸及其衍生物的生物合成机制、菌种创新和产业化等方面做出了一系列创新成果，研发了具有自主知识产权国际领先的高纯度低成本戊二胺生产菌种及全套生产技术，实现了戊二胺万吨级工业生产和维生素B5的葡萄糖直接发酵法生产，相关生产菌株已转让给企业并已量产。近年来在PLoS Genetics、Advanced Science、Protein & Cell、ACS Synthetic Biology、Biotechnology and Bioengineering 及Applied and Environmental Microbiology等国际期刊上发表一系列重要研究论文，授权发明专利60余件（其中PCT专利21件）。
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