微生物與病毒在深海冷泉中的生存博弈

近日，海洋三所海洋生物遺傳資源重點實驗室董西洋研究員團隊聯合華中農業大學成銳教授等科研團隊，在國際知名期刊

Nature Communications

論文第一作者為海洋三所韓迎春助理研究員與碩士研究生廖靜，通訊作者為海洋三所董西洋研究員與華中農業大學成銳教授，相關合作單位還包括浙江大學、中科院海洋研究所、大連海事大學、上海交通大學、寧波東方理工大學等。該研究得到國家重點研發計劃和國家自然科學基金等資助支持。

深海冷泉是全球海洋中重要的極端生境，其高壓、低溫及富含碳氫化合物的環境孕育了多樣的深部微生物群落。病毒在該環境中數量豐富、活動頻繁，是影響微生物群落結構和生態功能的重要生物因子。見

oceanexplorer.noaa.gov/expedition-feature/okeanos-ex1903-background-seeps

這項研究整合來自全球17個深海冷泉站位的191份沉積物樣品的宏基因組和宏轉錄組數據，共獲得3,813個種水平的微生物基因組，以及13,336個病毒基因組。隨后在3,813個微生物基因組中，鑒定出36,783個防御相關基因和26,389套防御系統，其中約63%為此前未見報道的候選防御系統，顯示深海冷泉微生物具有豐富而多樣的潛在抗病毒機制。

冷泉微生物防御系統概況

多類防御系統在微生物基因組中表現出聚集特征，常以防御島形式存在（見下圖）；相關性分析結果表明不同冷泉防御系統之間可能通過協同作用共同抵御病毒的侵染；結合宏轉錄組數據分析表明，這些防御系統在原位環境中具有一定的轉錄活性。

在病毒側，共檢測到1,197個抗防御基因，部分病毒基因組包含兩種及以上抗防御基因，提示病毒可通過多路徑策略應對宿主的免疫屏障。此外，通過宿主和病毒的關聯性分析，發現部分關鍵代謝類群（如甲烷厭氧氧化古菌、硫酸鹽還原菌等）攜帶較豐富的防御系統。微生物防御基因豐度與甲烷厭氧氧化、硫酸鹽還原和固氮等關鍵代謝功能基因豐度呈顯著正相關，提示病毒侵染及宿主防御響應可能對冷泉沉積物中的能量代謝過程產生影響，并進而參與深海生物地球化學循環的調控。關鍵代謝類群對應病毒也演化出相匹配的抗防御策略，反映出長期互作背景下形成的適應性演化格局。

冷泉微生物防御系統與病毒抗防御系統的互作

該研究還對部分候選防御系統開展了功能驗證實驗，多套系統在異源表達條件下表現出對不同噬菌體的抑制作用，表明深海冷泉環境中蘊含具有潛在應用價值的抗病毒分子資源，為理解極端生境中病毒—宿主互作機制提供了重要數據支撐。

冷泉候選防御系統的實驗驗證與結構域預測

結語

這項研究為深海冷泉病毒與微生物在極端環境下的防御互作提供了系統證據。通過對大規模基因組數據的比較分析，揭示了病毒壓力在冷泉生態中的廣泛影響，以及微生物通過多樣化防御機制應對病毒侵染的適應策略。研究結果為深入認識深部生命的生態功能、環境響應機制，以及深海生物資源和新型生物防御機制的發掘提供了研究基礎和科學依據。

https://www.nature.com/articles/s41467-025-68174-6