海洋中的辅助代谢基因：探秘病毒与宿主间的复杂关系

你可能认为病毒只带来疾病，但它们在海洋生态系统中扮演着你意想不到的角色。最近，科学家们发现，许多海洋病毒携带着一类特殊的基因，称为辅助代谢基因（AMGs）。这些基因可以插入到宿主细菌的基因组中，改变宿主的代谢方式。

想象一下，病毒就像是一个基因工程师，可以对细菌进行“基因改造”。通过引入AMGs，病毒可以赋予宿主新的能力，例如分解复杂的有机物、抵抗环境压力等。这不仅影响了单个微生物的生存，也对整个海洋生态系统的物质循环产生了深远的影响。

这项由俄亥俄州立大学领导的研究小组，识别并整理了近 23,000 个被称为辅助代谢基因的基因，其中包括 7,000 多个以前从未记录过的基因。分析表明，大约五分之一的海洋病毒种群携带至少一种辅助代谢基因。

病毒AMGs通过影响宿主代谢，参与了海洋中的碳循环、氮循环等重要生物地球化学过程。不同的病毒携带不同的AMGs，这使得它们能够感染并改造特定的微生物群体，从而塑造海洋微生物群落的组成和功能。在面对环境变化时，病毒AMGs可能赋予宿主新的适应能力，帮助它们在恶劣环境中生存。

研究人员建立了一个基因目录，这些基因是病毒从它们感染的遍布全球海洋的海洋微生物中“窃取”的。AMGs 目录和代谢途径图为微生物组工程实验和建模提供了基础，这将有助于研究人员更准确地预测病毒在海洋生物地球化学过程中的作用。

参考文献：Funing Tian, James M. Wainaina, Cristina Howard-Varona, Guillermo Domínguez-Huerta, Benjamin Bolduc, Maria Consuelo Gazitúa, Garrett Smith, Marissa R. Gittrich, Olivier Zablocki, Dylan R. Cronin, Damien Eveillard, Steven J. Hallam, Matthew B. Sullivan. Prokaryotic-virus-encoded auxiliary metabolic genes throughout the global oceans. Microbiome, 2024; 12 (1) DOI: 10.1186/s40168-024-01876-z

一、什么是辅助代谢基因AMGs？它有什么特点？

辅助代谢基因（Auxiliary Metabolic Genes，AMGs）是一类由病毒编码的基因，这些基因可以被插入到宿主细胞的基因组中，并参与调控宿主的代谢过程。简单来说，就是病毒通过AMGs，可以“借用”宿主的“工厂”，生产病毒自己需要的“产品”，或者改变宿主的“生产线”，以达到控制宿主、有利于自身繁殖的目的。

AMGs的功能非常多样，可以影响宿主的碳代谢、氮代谢、磷代谢等多种代谢途径。AMGs的来源多样，有些是病毒自身携带的，有些则是从宿主那里“借”来的。 AMGs对病毒的生存和繁殖至关重要。例如，一些AMGs可以帮助病毒抵抗宿主免疫系统的攻击，或者提高病毒的感染效率。AMGs可以通过影响宿主代谢，进而影响整个生态系统的物质循环。例如，噬藻体携带的AMGs可以影响藻类的生长和死亡，从而影响水体的初级生产力。

近年来，随着测序技术的不断发展，科学家们对AMGs的研究越来越深入。研究发现，AMGs在海洋病毒中广泛存在，并且在调节海洋生态系统中发挥着重要的作用。

简而言之，MGs是病毒基因组中的一类重要基因，它们在病毒与宿主之间的相互作用中发挥着关键作用。

二、AMGs如何改造宿主的？病毒AMGs在海洋中扮演什么角色？

病毒AMGs进入宿主基因组的主要机制是通过病毒的感染过程。当病毒入侵宿主细胞后，其基因组会整合到宿主基因组中。这一过程通常涉及病毒编码的整合酶，它能将病毒的DNA精确地插入到宿主的染色体上。

AMGs编码的蛋白质可以参与宿主的各种代谢过程，从而改变宿主的代谢途径。例如，AMGs可以编码参与碳固定、氮循环、磷代谢等关键生化过程的酶。这些改变会影响宿主对营养物质的利用效率，进而影响其生长、繁殖和对环境的适应能力。

从生态角度来看，AMGs的引入可以改变微生物群落的组成和功能，进而影响整个生态系统的物质循环和能量流动。例如，AMGs可以赋予宿主新的代谢能力，使其能够利用新的营养源或抵抗环境胁迫，从而在竞争中获得优势。

AMGs对海洋微生物的生长繁殖影响是多方面的。一方面，AMGs可以提供新的代谢途径，为宿主提供更多的能量和物质，从而促进其生长。另一方面，AMGs也可能导致宿主代谢失调，影响其生长和繁殖。此外，AMGs还可以影响宿主对环境胁迫的耐受性，从而影响其在自然环境中的生存竞争能力。

病毒AMGs在海洋碳汇形成中扮演着重要的角色。研究表明，病毒可以通过编码AMGs来影响宿主对碳的固定和利用。此外，病毒感染还可以导致宿主细胞裂解，释放有机物，从而增加海洋中有机碳的含量。这些过程都对海洋碳循环产生了重要影响。

病毒AMGs通过改变宿主代谢，影响微生物的生长、繁殖和对环境的适应能力，进而对整个生态系统产生深远的影响。

三、思考

AMGs是如何起源的？是病毒独立进化出的，还是从宿主获得的？AMGs在病毒进化过程中扮演了什么样的角色？是病毒适应环境的驱动因素之一吗？不同生态环境中的病毒AMGs是否存在差异，以及这种差异是如何产生的？

AMGs的功能多样性是如何产生的？是基因复制、水平转移还是其他机制？不同类型的AMGs对宿主代谢的影响有何特异性？是否存在一些核心AMGs，它们在不同病毒中普遍存在并发挥关键作用？

AMGs如何影响病毒与宿主的共进化？AMGs是否会改变病毒的感染性、致病性？病毒与宿主在获得AMGs的过程中存在怎样的协同进化关系？

环境因素（如温度、盐度、营养水平）如何影响AMGs的功能？AMGs是否可以帮助病毒适应环境变化？AMGs在极端环境（如深海、极地）中的病毒中是否更为常见？

AMGs如何影响海洋生态系统的物质循环和能量流动？AMGs在海洋初级生产力、碳循环中扮演什么角色？AMGs是否可以作为生物标志物，用于监测海洋生态系统的健康状况？

AMGs能否用于生物技术，如生物修复、生物能源等？如何利用AMGs开发新的抗生素或抗病毒药物？AMGs在合成生物学中的应用前景如何？

这些有趣的问题旨在激发你的思考，助你更深入地理解，希望能为你带来新的启示和帮助~~~

申明：内容来源于海洋资源ocean-resource创作，未经允许，不得转载，海洋资源ocean-resource保留追究法律责任的权利。